相位噪聲的時(shí)域測(cè)量方法

圖1 正弦信號(hào)的頻譜（無(wú)相位變化以及有相位變化的可能情形）

為了更為精確的描述相位噪聲，通常定義其為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。如一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)的總功率比值，即在fm頻率處1Hz范圍內(nèi)的面積與整個(gè)噪聲頻下的所有面積之比，如下圖2所示。

圖2 相位噪聲的基本定義

二、TIE抖動(dòng)的基本概念及其與相位噪聲的關(guān)系

TIE(Time Interval Error)，時(shí)間間隔誤差，是指信號(hào)的實(shí)際邊沿與其理想邊沿之間的偏差，理想邊沿可以為固定頻率信號(hào)的邊沿位置，如100MHZ的信號(hào)，那么上升邊沿位置就固定在10ns的整數(shù)倍位置處；也可以通過(guò)CDR（時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）的方法恢復(fù)出的時(shí)鐘作為理想時(shí)鐘。如下圖3所示，實(shí)際時(shí)鐘信號(hào)的每一個(gè)實(shí)際邊沿位置與理想時(shí)鐘的邊沿位置都會(huì)做一個(gè)比較，它們之間的差值就叫做TIE抖動(dòng)。

圖3 TIE抖動(dòng)參數(shù)的測(cè)量方法

三、基于示波器的相位噪聲測(cè)量方法

根據(jù)上文的分析，相位噪聲是指信號(hào)相位的隨機(jī)性波動(dòng)的功率譜密度，在頻域里相位噪聲通常被表達(dá)為dBc/Hz。如果信號(hào)的相位噪聲值非常小，那么則需要使用具有高動(dòng)態(tài)范圍的頻域儀器進(jìn)行測(cè)量，才能得到較好的結(jié)果。如果信號(hào)的相位噪聲在-70dBc(或者結(jié)合平均方法為-80dBc)以上，則可以選擇使用示波器進(jìn)行測(cè)試。目前測(cè)量相位噪聲主要有三種儀器，一是頻譜儀，二是示波器，三是專(zhuān)用的相位噪聲分析儀。頻譜儀中通常具有相位噪聲的測(cè)試項(xiàng)，可以從信號(hào)頻譜上測(cè)量出相位噪聲的值并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚纯?，測(cè)試原理即為測(cè)試某一指定偏移頻率處的功率電平（1Hz帶寬內(nèi)）與載波總功率電平的比值；使用示波器進(jìn)行相位噪聲的測(cè)量則是在時(shí)域里先測(cè)試出抖動(dòng)，然后再將抖動(dòng)值按照上述提到的相位噪聲與抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換得到；由于示波器和頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍有限，因此對(duì)于很小的相位噪聲很難測(cè)試得非常準(zhǔn)確。因此如果需要準(zhǔn)確的測(cè)試比較小的相位噪聲時(shí)，則可以選用專(zhuān)門(mén)測(cè)試相位噪聲的相位噪聲測(cè)試儀。

下面為使用力科示波器對(duì)相位噪聲的測(cè)量方法及步驟：

Step1：在示波器的“Timebase”按鈕中選擇“Fixed Sample Rate”,并設(shè)置一個(gè)合理的采樣率以確保在信號(hào)邊沿上采集到足夠多的樣本點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟1

圖5使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟2

Step2：設(shè)置示波器的最小采集窗口時(shí)間至少為1ms，這將在FFT頻譜中提供1KHz的頻率分辨率。時(shí)間窗口越長(zhǎng)，F(xiàn)FT頻譜的頻率分辨率越高（比如說(shuō)5ms的采集時(shí)間窗口將得到200Hz的FFT頻譜分辨率），如圖5所示。

Step3：如下圖所示，對(duì)于204.8MHz的時(shí)鐘信號(hào)，為了獲得一個(gè)很大的捕獲時(shí)間窗口，我們采集了100M的采樣點(diǎn)數(shù)，獲得5ms的捕獲時(shí)間窗口，如圖6所示。

圖6使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟3

圖7使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟4

Step4：測(cè)量時(shí)鐘波形的TIE抖動(dòng)。設(shè)置輸入源為時(shí)鐘，如圖7所示。

Step5：在TIE參數(shù)設(shè)置欄里的VClock中選擇“Find Frequency”，如圖8所示。

圖8使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟5

圖9使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟6

Step6:對(duì)TIE測(cè)量參數(shù)進(jìn)行“Track”函數(shù)分析，如圖9所示。

Step7：關(guān)掉 PLL并適當(dāng)微調(diào)“Customer Frequency”以獲得“Track”函數(shù)曲線(xiàn)的最大平坦度，如圖10所示。

圖10使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟7

圖11使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟8

Step8：對(duì)Track曲線(xiàn)進(jìn)行FFT分析，如圖11所示。

Step9：選擇FFT參數(shù)設(shè)置中的“Magnitude”、“VonHann”、“LeastPrime”，并去掉“Suppress DC”選擇，如圖12所示。

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圖12使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟9

圖13使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟10

Step10：對(duì)抖動(dòng)的FFT進(jìn)行Log10運(yùn)算，如圖13所示。

Step11：在“Rescale”運(yùn)算設(shè)置中，選擇乘以“20”，然后通過(guò)下述公式?jīng)Q定需要增加的常數(shù)：20log10（pi*carrier frequency）。在本例中，20log10（643398175）=176，在“Rescale”運(yùn)算設(shè)置中輸入該常數(shù)值，如圖14所示。

圖14使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟11

圖15使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟12

Step12：使用一個(gè)光標(biāo)放置在相應(yīng)的相位噪聲偏移頻率（比如10khz）位置并直接從F4曲線(xiàn)中讀出cursor對(duì)應(yīng)的以DBC為單位的相位噪聲值。如本例中的10khz的相位噪聲為-109.63dBc，如圖15所示。

四、小結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了相位噪聲及其TIE抖動(dòng)的概念及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，并重點(diǎn)介紹了基于力科示波器是如何測(cè)量出TIE抖動(dòng)并將抖動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為相位噪聲的。

五、參考文檔

1、Phase Noise and Jitter Requirements for Serial IO Applications,SI time Application Notes

2、Lecroy Step by Step references：How to measure phase noise,Mike Hertz,Lecroy