为什么杂散会带来额外抖动？时钟相位噪声测量解析资料下载

在本月的文章中，我将讨论时钟相位噪声测量中的杂散。大多数了解时钟的人都会认识到杂散是下面相位噪声图中的独特的尖峰。杂散通常是不受欢迎的，在频率合成中低水平杂散并不少见。它们就像是啤酒上的泡沫。这个特定的曲线来自一个AWG（任意波形发生器），配置为1 MHz FM的100 MHz正弦输出。在本文中，我将使用此数据或类似的数据。 在第一篇文章中，我将简要回顾一下杂散及其特征。接下来，我将在计算总RMS相位抖动时讨论如何计量它们。最后，我将总结一下三种在相位噪声图上显示（或不显示）杂散的方法的相对优点。在接下来的第二部分，我将讨论在评估和测试目的上产生杂散的有用性。 什么是杂散 技术术语“spur”来自拉丁语spurius，意思是非法的或虚假的伪造。还有另外一个更普遍的用词，指的是牛仔的马刺和圣安东尼奥马刺队。巧合的是，这两个含义在此处暗合。 在这里，杂散信号是载频或时钟频率频谱缺陷，就像相位噪声一样。然而，与相位噪声不同，它们是离散的频率分量。此处给出了其几个特别和有趣的特征： 1.杂散是确定性的。 2. 杂散功率与带宽无关。 3. 杂散在时域内贡献有限的峰值抖动。 让我依次对这些特征进行一些解释。 杂散是确定性的 杂散通常是不受欢迎的，并且与构成方波或梯形波钟所需的谐波相区分。他们的具体频率可以帮助我们确定他们的起源和相对重要性。例如，它们可能是由系统的电源噪声，串扰，混频，调制，PLL架构和电源线谐波等引起的。 PLL通常通过PFD（相位频率检测器）有效地采样输入时钟，因此必须抑制更新速率杂散。此外，合成分数输出频率的PLL通常由于分数分频而产生杂散。 杂散功率与带宽无关 对于离散频率成分通常是这样，可以直接在频谱分析仪上观察。相反，非确定性噪声功率与带宽成正比。考虑下面的2个图，显示一个带有 /- 100 kHzFM边带的100MHz正弦载波，作为杂散信号。轨迹是5次运行的平均，跨度设置为300 kHz。两个图之间的唯一区别是RBW或分辨率带宽。 左边的图RBW = 6.25 kHz。右侧的图RBW = 291Hz。你可以看红线的注释，峰值保持基本相同的幅度，而噪声水平从左到右下降。我们可以看到两图之间的噪音大约10 dB delta。我们期望噪声减小，从而将RBW从6.25kHz降低到291Hz，在这种情况下相当接近10 * log10（6.25kHz / 291Hz）= 10 * log10（16）= 12dB。请注意，离散频率分量也变窄。 杂散在时域内贡献有限的峰值抖动 每个杂散可被认为是载波的相位调制边带，其幅度决定了峰值相位偏差的贡献。这个有用的功能可以在测试中被利用，我将在下一篇文章中讨论这个话题。相反，随机相位噪声的峰值相位偏差是无界的。 计量杂散 相位噪声图中的相位噪声是以赫兹为单位显示的功率谱密度测量，即以dBc / Hz为单位，然后在抖动带宽上积分以产生RMS相位抖动量。 因为[dBc / Hz] x [Hz] = [dBc]，所以这些单位是合理的，这是衡量相对于载波的RMS相位抖动功率。 那么必须使用统计方法来估计相同带宽上的峰值相位抖动。（相位噪声仪器实际上并不是以1 Hz的增量测量相位噪声，而是根据偏置频率范围使用较大的RBW。） 每个杂散的RMS抖动贡献可以如下计算。 （例如参见Silicon Labs应用笔记 AN256: Integrated Phase Noise） L（f）在载波频率f0处被认为是偏移频率f处的以dBc为单位的杂散功率。 在计算相位噪声 杂散的RMS抖动时，计算杂散信号的正确方法是在RSS（Root Sum Square）中添加每个杂散的单独抖动功率贡献，其中仅包含噪声引起的RMS相位抖动。 我们可以用一个例子来证明这一点。 下面的左边的曲线是省略杂散的示例标准100MHz时钟的相位噪声曲线。右边的曲线是相同的相位噪声曲线，但是具有标识出的杂散和以dBc显式地显示。对于该仪器，以dBc为单位的杂散以与相位噪声不同的颜色显示。在第一种情况下，在12 kHz到20 MHz之间测得的RMS相位抖动计算为668.837 fs。在第二种情况下，测得的RMS相位抖动记录为878.156 fs。这增加了大约209 fs或大约31％的增长。 一个有趣的问题是在相位噪声测试设备中如何识别杂散。 这个特定的仪器根据一个移动平均值来定义一个阈值，即峰值必须比噪声的标准偏差高出多少。 默认的灵敏度设置是3×标准偏差（西格马），这已被证明是一个很好的实用值。 为了明白为什么杂散会带来这么多额外的抖动，请注意，有3个杂散带显示，即在12 kHz和20 MHz之间的偏移量。 在下面的表格中，我列出了3个杂散以及它们各自的RMS抖动贡献，按照所引用的公式计算。 由于FM而产生的1MHz杂散占主导地位。 （杂散偏移频率位置和振幅直接来自仪器的杂散列表。） 现在，让我们一起计算所有这些值： 这与仪器报告的878.156 fs非常接近。 您可以通过类似的练习，分别输入数据，使用我们的在线相位噪声抖动计算器。 显示杂散 您可能已经注意到，第一阶段噪声图的尖峰看起来与以dBc为单位的尖刺图不同（较短）。 让我们把这两个数字并排放在一起。 现在可以看到，左侧的曲线具有与相位噪声相同的颜色。 左侧曲线中的杂散以dBc / Hz为单位进行描述。 那就是这个工具通过使它们相对于RBW标准化而缩小了分歧，具体如下： Spur peak [dBc/Hz] = Spur amplitude [dBc] – 10*log10 (RBW) 在大多数仪器中，取决于偏移频率范围，RBW将从Hz变化到MHz，偏移频率通常在10％至1％的量级。 该仪器可能会或可能不会明确提供RBW。 但是，我们总能推断出来。 你会记得在1兆赫的最大杂散在右边的图中被显示为-72 dBc。 在左侧图中，相同的杂散大体上被描述为一个瘦腰三角形，峰值测量值约为-117.5 dBc / Hz，现在基本上稍微低于和高于1 MHz偏移。 所以我们可以计算1 MHz偏移的RBW如下： 您可能想知道为什么“以dBc / Hz为单位的杂散”视图是有用的。 如果你关心的只是RMS相位噪声的影响，那么这个视图有助于把事情放在适当的角度，而不是非杂散的相位噪声。 另一方面，类似右侧的图更准确，更有用于故障排除。 注意，在这个特定的例子中，从左到右，计算出的RMS抖动分别从809.574 fs��加到878.156 fs，增加了大约8％。 此外，直接了解杂散信号的dBc值非常有用，而不用担心在特定偏置频率下仪器的RBW。 上面的表格总结了我对三种显示杂散方式的相对优点的评估。 结论 本月我已经讨论了相位噪声测量中的杂散。 我希望你喜欢这个Timing 101的文章。 这只是一个简短的介绍。我将在下一次的“虚假相位噪声第二部分”中回到这个话题，讨论如何生成和使用杂散进行测试。  (mbbeetchina)