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相位噪聲與時(shí)間抖動(dòng)的概念及其轉(zhuǎn)換


  來(lái)源: 安立通訊科技Anritsu 時(shí)間:2022-03-11 編輯:清風(fēng)
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一、什么是相位噪聲?


相位噪聲(Phase Noise)是指系統(tǒng)(如射頻器件)在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化。它是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源(高穩(wěn)晶振、原子頻標(biāo)等)的短期穩(wěn)定度的重要指標(biāo),隨著頻率源性能的不斷改善,相應(yīng)噪聲越來(lái)越小,因而對(duì)相位噪聲的測(cè)量要求也越來(lái)越高。


相位噪聲通常定義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。如圖1所示,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,約等于中心頻率f0處曲線的高度與fm處曲線的高度之差。


通常情況下,一個(gè)單頻率正弦信號(hào)是頻域的沖擊函數(shù),但在使用頻譜分析儀或接收機(jī)測(cè)量中測(cè)量中,在頻譜的周圍會(huì)有很多毛刺,噪底被抬升,越接近信號(hào)的中心頻率,噪聲越高,相位噪聲就表現(xiàn)為近邊帶的噪聲干擾。而影響發(fā)射機(jī)信號(hào)相位噪聲的因素包括內(nèi)部晶振、時(shí)鐘穩(wěn)定度,變頻本振源,以及鎖相環(huán)的性能等。在接收端,接收機(jī)的本振相位噪聲性能是影響被測(cè)信號(hào)相噪的主要因素,而相位噪聲決定了接收機(jī)分辨近端不等幅信號(hào)的能力。


圖1 振蕩器相位噪聲示意圖


二、什么是抖動(dòng)?


抖動(dòng)(Jitter)又稱時(shí)間抖動(dòng),是實(shí)際測(cè)量到的信號(hào)在時(shí)域上與理想信號(hào)的偏差。


在理想信號(hào)波形中,信號(hào)周期是固定的,不隨時(shí)間的變化。但在實(shí)際中,由于時(shí)鐘穩(wěn)定度、相鄰信號(hào)通道間的串?dāng)_,信號(hào)通路上的EMI輻射,電源層的噪聲,多個(gè)門電路同時(shí)轉(zhuǎn)換為一種邏輯變化等,這些因素都會(huì)造成信號(hào)周期的抖動(dòng)。除此之外,還包含由較難預(yù)測(cè)的因素導(dǎo)致的時(shí)序變化,稱之為隨機(jī)抖動(dòng)。如溫度,半導(dǎo)體加工的工藝等。


如圖2所示,以1 MHz的脈沖信號(hào)為例,在理想情況下,它的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該是1us,每500ns會(huì)有一個(gè)跳變沿,在實(shí)際測(cè)量中,由于各種因素的存在,信號(hào)周期會(huì)發(fā)生變化,最終造成抖動(dòng)。


圖2 信號(hào)的時(shí)間抖動(dòng)示意圖


三、相位噪聲和時(shí)間抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換


如前所述,抖動(dòng)和相位噪聲所描述的是同一現(xiàn)象在時(shí)域和頻域的不同表征形式,因此,如果能從相位噪聲的測(cè)量結(jié)果中導(dǎo)出抖動(dòng)的值將是有意義的。


如表1所示,安立Rubidium MG362x1A信號(hào)發(fā)生器在中心頻率100MHz,在不同頻偏下的相位噪聲情況。


表1 安立MG362x1A信號(hào)發(fā)生器的相位噪聲


如圖3,相位噪聲曲線由多條線段擬合而成,各線段的端點(diǎn)由數(shù)據(jù)點(diǎn)定義。為了獲取RMS抖動(dòng),首先需要對(duì)曲線區(qū)域內(nèi)的各段曲線進(jìn)行積分得到積分相位噪聲功率,即各段相位噪聲曲線的面積。然后將積分相位噪聲功率轉(zhuǎn)化為RMS相位抖動(dòng)弧度,最終再將相位弧度轉(zhuǎn)化為RMS時(shí)間抖動(dòng)。


圖3 相位噪聲擬合曲線示意圖


其中:



下面就以表1和圖3中數(shù)據(jù)為例,示例如何將相位噪聲轉(zhuǎn)換為時(shí)間抖動(dòng),具體計(jì)算結(jié)果如下:


圖4 MG362x1A信號(hào)發(fā)生器在中心頻率100MHz處的相位噪聲與抖動(dòng)示意圖


所以,總的時(shí)間抖動(dòng)即各個(gè)時(shí)間抖動(dòng)的方和根,計(jì)算得出:


TOTAL RMS JITTER=46.78fs


即MG362x1A信號(hào)發(fā)生器在中心頻率100MHz下的時(shí)間抖動(dòng)是46.78fs。


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