相位噪聲就是指石英晶體振蕩器在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號相位的隨機(jī)變化,描述無線電波的三要素是幅度,頻率,相位.頻率和相位相互影響.理想情況下,固定頻率的無線信號波動(dòng)周期是固定的,正如飛機(jī)的正常航班一樣,起飛時(shí)間是固定的.頻域內(nèi)的一個(gè)脈沖信號(頻譜寬度接近0)在時(shí)域內(nèi)是一定頻率的正弦波.低相位噪聲是有源晶振中重要的一個(gè)性能.下面康比電子為廣大用戶簡述一下關(guān)于石英晶體振蕩的的噪聲及抖動(dòng).

噪聲和抖動(dòng)簡介

頻率系統(tǒng)性能的測量是它的穩(wěn)定性,即在合適的測量上頻率的波動(dòng)水平.目標(biāo)是將這些波動(dòng)保持在最低限度;然而,噪聲和抖動(dòng)在系統(tǒng)中是不可避免的,并且會(huì)對性能產(chǎn)生負(fù)面影響.

抖動(dòng):基本介紹

考慮一個(gè)有兩種狀態(tài)的信號,“開”或“關(guān)”.該信號在脈沖之間具有恒定的時(shí)間周期,并且所有脈沖的長度相等.

由于信號的性質(zhì),很容易預(yù)測下一個(gè)脈沖何時(shí)到達(dá).如果你想建立一個(gè)利用這個(gè)脈沖特性的系統(tǒng),你可以這樣做;例如,如果兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間是幾秒鐘的倍數(shù),你可以根據(jù)這個(gè)信號制作一個(gè)非常簡單的定時(shí)裝置.

然而在現(xiàn)實(shí)中,沒有什么事情是這么簡單的.再次考慮這個(gè)信號,但是現(xiàn)在也考慮一些破壞它的東西.這種“噪聲”,無論是來自脈沖內(nèi)部還是外部參數(shù),偶爾都會(huì)導(dǎo)致脈沖提前到達(dá).

這本質(zhì)上是抖動(dòng),可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降.

噪聲基礎(chǔ)

噪聲是來自內(nèi)部或外部源的信號中的任何不想要的信息,一些是不可避免的,而另一些則可以從系統(tǒng)中移除.

內(nèi)部噪聲(約翰遜-奈奎斯特噪聲)

有時(shí)稱為熱噪聲或白噪聲,是元件內(nèi)電荷載流子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.噪聲水平取決于部件的電阻和溫度,并且在所有頻率下都是相同的,因此是不可降低的.約翰遜噪聲與帶寬成正比,其變化本質(zhì)上是高斯的.這可以從功率譜密度得到.高斯意味著它均勻分布在中心點(diǎn)的兩側(cè),中心點(diǎn)是平均值或平均值.它是一個(gè)鐘形曲線或正常曲線,如圖1所示.

圖1-示例高斯分布曲線

散粒噪聲

構(gòu)成電流的電子的離散特性也在元件中引起噪聲.這在極低電流應(yīng)用中變得非常重要.這也是白色的,不可約的.

閃爍噪聲

盡管Johnson和Shot噪聲獨(dú)立于電路和晶振元件設(shè)計(jì),閃爍噪聲卻不是.閃爍噪聲(也稱為粉紅噪聲)在低頻占主導(dǎo)地位,是由于元件性能的瞬時(shí)波動(dòng).它遵循類似于功率=1/f的趨勢,其中f是頻率.因此,隨著頻率的增加,閃爍噪聲的功率趨于0.圖2.

圖2

外噪聲

這是一種干擾.例子包括50Hz電源線路,電容和磁耦合.如果沒有適當(dāng)?shù)念A(yù)先考慮,這可能會(huì)成為一個(gè)問題.

隨機(jī)游動(dòng)

這是晶體結(jié)構(gòu)本身固有的,包括沖擊和振動(dòng)等環(huán)境源.這些很長

圖3

抖動(dòng)和相位噪聲

影響晶體本身結(jié)構(gòu)的術(shù)語因素可以被忽略.隨機(jī)游走通常被定義為小于10Hz,而不是抖動(dòng).

量化噪聲

通常表示為信噪比(SNR):以分貝為單位定義為SNR=20log10(Vs2/VN2)(1)其中Vs和VN分別是信號和噪聲的均方根電壓.

相位噪聲

對于這個(gè)討論,我們感興趣的是圍繞給定點(diǎn)振蕩的均勻周期波形.例如,在地(0V)和電源電壓(Vs)之間振蕩的方波.我們將考慮輸出通過Vs上升的點(diǎn)作為閾值參考有源晶振電壓,并使用該值測量脈沖的上升沿.我們不考慮上升沿0V的任何增加,因?yàn)檫@可能是隨機(jī)噪聲.或者,我們可以考慮一個(gè)關(guān)于水平x軸對稱的正弦波,其中x=0是我們的測量參考點(diǎn),0V線.我們有效地尋找原始波形和接收波形之間的相位差,即信號的抖動(dòng).抖動(dòng)用時(shí)間或單位間隔來描述,而相位噪聲用弧度或度數(shù)來描述.例如,考慮一個(gè)均勻的方波,它在0V和+Vs之間以1MHz的頻率振蕩,然而,感應(yīng)到電路中的是噪聲,這意味著信號提前到達(dá)Vs.如圖3所示,最終波形比之前的波形更快地越過閾值電壓Vs;因?yàn)樵肼晫?dǎo)致波形提前到達(dá).在這種情況下,在0V下花費(fèi)的時(shí)間是先前波形的一半.使用:T=1/f(2)

我們知道整個(gè)周期需要1秒.所以這個(gè)波形提前250秒到達(dá).這是250納秒的抖動(dòng)或π或90°的相移.可以通過數(shù)學(xué)分析來更清楚地描述相移和抖動(dòng)的例子是正弦波形.正弦曲線可以用以下形式書寫:f(t)=Asin(ωt+θ)(3)其中A是波的最大振幅,ω=2πf,θ是相移.

例子:

考慮以下情況,x是頻率為1Hz的正弦曲線.波形方程為x=sin2πt.然而,噪聲存在,并導(dǎo)致波異相移動(dòng).圖4,5和6.

我們有一個(gè)0V的閾值電壓,當(dāng)波穿過水平x軸時(shí)記錄時(shí)間.當(dāng)時(shí)間穿過x軸時(shí),測量值為0.4375秒.這是0.0625秒的抖動(dòng).由此我們可以計(jì)算出相移.從(3):f(t)=Asin(ωt+θ)f(t)=Asin(2πft+θ)f(t)=Asin(2πt+θ),f=1

f(t)=Asin(2πx0.4375+θ),因?yàn)椴ㄊ?.4375s早期f(t)=Sin(2πx0.4375+θ),因?yàn)锳=10=2πx0.4375+θ,在f(t)=00=0.875π+θ-θ=0.875πθ=0.125π

θ=1/8π相移

圖4-異相波形

圖5-同一軸上的波形

圖6-粉色波形異相

相位噪聲圖

在前面的例子中,分析了單一的噪聲事件;然而,檢查信噪比(SNR)如何隨著頻率或噪聲的變化而變化也是有用的.這繪制在一個(gè)曲線圖上,在Y軸上顯示SNR值,在X軸上顯示距基頻的距離.頻率離基頻越遠(yuǎn),SNR將變得越小,如圖7所示.

圖7

從圖表中,你可以找出不同的興趣點(diǎn),例如,3dB頻率,SNR的功率減半.這使得能夠繪制顯示相位噪聲與偏移的圖表.

圖8中的圖表分解了石英晶體振蕩器所經(jīng)歷的相位噪聲源.相位噪聲圖被分成五個(gè)主要區(qū)域,在水平X軸上與基頻有距離,在垂直Y軸上有SNR.你可以觀察到閃爍角,閃爍噪聲在信號中成為可忽略的因素;在這一點(diǎn)上,高于這個(gè)角頻率的所有噪聲變得不可減少.這與前面標(biāo)注了噪聲區(qū)域的圖表非常相似.

圖8-頻率噪聲圖

測量抖動(dòng)

在介紹了抖動(dòng)的基本概念之后,控制抖動(dòng)的原則是合乎邏輯的和直接的;事實(shí)上,這是對理想波形和非理想波形之間差異的測量.然而,實(shí)際上進(jìn)行測量可能相當(dāng)復(fù)雜.在前面的例子中,我們將測量信號與理論上的理想信號進(jìn)行了比較.然而,在現(xiàn)實(shí)世界中,沒有信號是完美的,要進(jìn)行測量,你必須有一個(gè)干凈的信號來比較,即一個(gè)噪聲非常小的信號.

周期和周期間抖動(dòng)

周期抖動(dòng)是時(shí)鐘周期應(yīng)該處于的位置和它看起來所處的點(diǎn)之間的差值.這是理想脈沖應(yīng)該到達(dá)的時(shí)間和脈沖實(shí)際到達(dá)的時(shí)間之間的時(shí)間差.

周期間抖動(dòng)是兩個(gè)連續(xù)時(shí)鐘周期之間的差值,由此引入系統(tǒng)的抖動(dòng)導(dǎo)致下一個(gè)理想信號的變化.

例如,考慮一個(gè)在地和+Vs之間振蕩的均勻波形,其標(biāo)稱周期為T.然而,抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致波形在某個(gè)時(shí)間到達(dá).我們可以說周期到周期抖動(dòng)是T-t.周期到周期抖動(dòng)很難測量,因?yàn)槔硐氩ㄐ蔚闹芷谑腔谇耙粋€(gè)波形的周期.為了找到下一個(gè)周期到周期的抖動(dòng),我們將下一個(gè)周期的周期與前一個(gè)周期進(jìn)行比較.這通常需要使用能夠測量比波形頻率更快的信號的高速定時(shí)設(shè)備.

一種方法是將長期標(biāo)稱頻率的平均值作為參考.假設(shè)噪聲是隨機(jī)的,并且具有高斯分布曲線,其平均值為0.由此可見,平均頻率不會(huì)與理論標(biāo)稱頻率不同.然后在短時(shí)間內(nèi)測量這個(gè)平均值的微小變化,給你信號的抖動(dòng).然而,當(dāng)你考慮取暖,改變環(huán)境因素和隨意走動(dòng)時(shí),這可能會(huì)導(dǎo)致問題.另一種方法是使用參考信號,一種與感興趣的成分具有相同標(biāo)稱頻率的干凈源.貼片晶振需要具有可控頻率.我們需要用合適的反饋系統(tǒng)消除所有外部干擾.我們也需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)反饋回路來保持它們的平均長期頻率相同,這被稱為鎖相.你將可控源“鎖定”在感興趣的成分上,比較它們的長期平均頻率.這消除了隨機(jī)行走的問題,因?yàn)樗试S測量信號行走,而可控源由于反饋回路而“行走”等量.即使組件被鎖定在一個(gè)循環(huán)中,它仍然會(huì)抖動(dòng).出于測量目的,我們對信號何時(shí)超過閾值電壓感興趣.(我們定義的興趣點(diǎn);在前面的例子中,給出了X軸上Vs的1/2.))

我們感興趣的是抖動(dòng)在兩個(gè)分量的閾值電壓中造成時(shí)間差的點(diǎn).這兩次的差異將向我們展示組件的抖動(dòng).根據(jù)這些值,我們可以繪制記錄值的直方圖.

均方根抖動(dòng)(σ)

根據(jù)所示示例,記錄的數(shù)據(jù)以高斯分布曲線呈現(xiàn),也就是說,它遵循正態(tài)分布模式.抖動(dòng)的隨機(jī)來源通常就是這種情況.

從這些數(shù)據(jù)的高斯分布可以得出一個(gè)有趣的觀察結(jié)果.我們可以通過它的寬度來確定均方根抖動(dòng)σ.此外,我們還可以觀察到平均抖動(dòng)為0,這僅是理想高斯分布的情況.

峰間抖動(dòng)

描述測量的抖動(dòng)的另一種方式是通過取均方根值的合理大倍數(shù)來顯示峰值.常見選擇是使用14σ的峰峰值(pk-pk)值.任何超出此范圍的值都將非常罕見,幾乎可以忽略不計(jì).如果系統(tǒng)在兩點(diǎn)之間有界,那么最壞的情況就是系統(tǒng)有界邊緣之間的峰值.然而,請注意,這是假設(shè)有界邊不允許輸出電平在定義的邊之上或之下有任何波動(dòng).圖9.

圖9

對于不適合高斯或有界場景的系統(tǒng),我們使用類似于高斯系統(tǒng)的程序.我們?nèi)颖镜钠骄?從這一點(diǎn)開始,移動(dòng)足夠遠(yuǎn),以至于這些點(diǎn)的抖動(dòng)很少,可以忽略不計(jì).

抖動(dòng)的頻率分析

另一種顯示抖動(dòng)的方法是通常通過使用頻譜分析儀在頻域中進(jìn)行測量.再一次,我們比較了如上所述的清潔無噪聲源,兩者都被鎖相以允許行走.在一個(gè)理想的世界里,我們會(huì)在顯示器上看到一個(gè)峰值響應(yīng),但是實(shí)際上它會(huì)顯示一個(gè)清晰的信號,兩邊都有裙子;這些裙部是破壞信號的抖動(dòng)的產(chǎn)物.通常由于粉紅色噪聲,信號的兩側(cè)可能會(huì)出現(xiàn)低幅度尖峰或雜散.

圖10.請注意,當(dāng)波形變寬并遠(yuǎn)離主頻率時(shí),主信號和裙邊的定義尖峰.

圖10-抖動(dòng)的示例頻譜分析圖

量化抖動(dòng)

上面我們展示了如何通過使用信噪比來量化噪聲,而對于抖動(dòng),我們通常將其表示為預(yù)期脈沖和實(shí)際到達(dá)的脈沖之間的時(shí)間差.對于在兆赫范圍內(nèi)工作的系統(tǒng),通常以皮秒為單位量化抖動(dòng)測量值.

振蕩器中的抖動(dòng)

如果振蕩器設(shè)計(jì)正確,并且輸出頻率與壓電石英晶振的固有諧振頻率相匹配,則振蕩器中的抖動(dòng)應(yīng)該僅來自隨機(jī)源.振蕩器中的隨機(jī)抖動(dòng)應(yīng)該足夠小,以皮秒為單位進(jìn)行測量.所有振蕩器都應(yīng)該是這種情況,即使對于那些其輸出是從晶體振蕩器的正弦波輸出導(dǎo)出的方波信號的振蕩器也是如此.

由于可編程晶體振蕩器輸出頻率的產(chǎn)生方式,其抖動(dòng)通常較大.他們通常使用鎖相環(huán)(PLL)的頻率生成方法,這可以增加他們對抖動(dòng)的敏感度,通常在100psrms的數(shù)量級.考慮可能從外部系統(tǒng)引入系統(tǒng)的抖動(dòng)是有用的.如果低抖動(dòng)信號對于系統(tǒng)的工作是必不可少的,那么選擇具有低抖動(dòng)值的組件是不夠的,應(yīng)該決定設(shè)計(jì)一種將抖動(dòng)最小化的電路.例如,屏蔽部件和電路免受干擾可能就足夠了,或者在電源線中放置簡單的RC濾波器可以幫助衰減來自電源的所有高壓紋波.振蕩器的輸出信號可能是純凈的,但是它所在的電路很容易受到噪聲和抖動(dòng)的影響.

抖動(dòng)效應(yīng)

由于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)依賴通用時(shí)鐘總線,我們關(guān)心的是一個(gè)電路是否能容忍時(shí)鐘脈沖定時(shí)的任何微小變化.

在數(shù)字通信系統(tǒng)中,編碼數(shù)據(jù)通常被長距離發(fā)送,然后一旦接收就被解碼.然而,需要有一個(gè)公共時(shí)鐘來允許脈沖被解碼,并且如果其中任何一個(gè)的時(shí)鐘受到抖動(dòng)的影響,則可能會(huì)有來自源的數(shù)據(jù)完整性的一些損失.同樣,在選擇合適的石英晶振之前,值得考慮你的應(yīng)用.