來源:Digi-Key
作者: Alan Yang
很多高頻應(yīng)用,比如鎖相環(huán)、5G應(yīng)用,都離不開時(shí)鐘信號(hào)。而這些高頻應(yīng)用的相位噪聲往往是一個(gè)項(xiàng)目成敗與否的關(guān)鍵因素。本文通過比較理想時(shí)鐘信號(hào)與實(shí)際時(shí)鐘信號(hào),講解相位噪聲的概念;然后介紹相位噪聲的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)——誤差矢量幅度(EVM)與VCO阻塞;最后介紹應(yīng)該如何選擇低相位噪聲晶振。
(相關(guān)資料圖)
理想時(shí)鐘信號(hào)與實(shí)際時(shí)鐘信號(hào)的比較
很多高頻應(yīng)用都離不開時(shí)鐘信號(hào),下圖是一個(gè)典型的時(shí)鐘信號(hào)的下降沿。理想中的時(shí)鐘信號(hào)如下圖紅線所示,而實(shí)際的時(shí)鐘信號(hào)如下圖紫色線條所示。
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圖1:典型的時(shí)鐘信號(hào)的下降沿(圖片來源:ADI)圖1:典型的時(shí)鐘信號(hào)的下降沿(圖片來源:ADI)
同樣對(duì)于正弦波來說,理想的正弦波在頻率下對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率信號(hào),如下圖紅線所示。而實(shí)際由于噪聲和雜散頻率的存在,正弦波在頻域圖像如下圖右邊藍(lán)線所示。
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圖2:典型正弦波信號(hào)(圖片來源:ADI)
通常為了正確測(cè)量相位噪聲,我們常會(huì)用到的兩種儀器:
· 頻譜分析儀:用于測(cè)量信號(hào)的頻域圖
· 示波器:用于測(cè)量信號(hào)的時(shí)域圖
相位噪聲的概念
我們以鎖相環(huán)PLL的LO(本振頻率)輸出為例,來看看相位噪聲的概念。相位噪聲是指當(dāng)信號(hào)到達(dá)系統(tǒng)接收端時(shí),由于意外超前或滯后而產(chǎn)生的噪聲。
理想的LO輸出,是沒有噪聲或額外雜散頻率的。
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圖3:理想LO輸出(圖片來源:ADI)
但在實(shí)際應(yīng)用中,相位噪聲像裙擺一樣出現(xiàn)在載波邊緣,如下圖所示。
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圖4:實(shí)際LO輸出(圖片來源:ADI)
對(duì)于單邊帶相位噪聲的定義是:在某一偏移頻率處,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。單邊帶相位噪聲 SC(f) = 10 x log (PS/PSSB),單位以dBc/Hz來表示。
我們可以將相位噪聲數(shù)據(jù)繪制到相對(duì)RF載波的頻率偏差中。
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圖5:相位噪聲繪圖方法(圖片來源:ADI)
除了單邊帶相位噪聲,對(duì)于通信系統(tǒng),從PLL角度來看,誤差向量幅度(EVM)和VCO阻塞也經(jīng)常被使用。
誤差向量幅度(EVM)
誤差向量幅度(EVM),定義為誤差矢量信號(hào)平均功率的均方根值與理想信號(hào)平均功率的均方根值之比,并以百分比的形式表示。EVM越小,信號(hào)質(zhì)量越好。這個(gè)指標(biāo)能全面衡量調(diào)制信號(hào)的幅度誤差和相位誤差。EVM可被認(rèn)為是理想調(diào)制信號(hào)相對(duì)于理想點(diǎn)的性能降幅百分比。
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圖6:可視化相位誤差(圖片來源:ADI)
使用信號(hào)分析儀可以有效測(cè)量EVM、積分相位噪聲、均方根相位誤差和抖動(dòng)等。
VCO阻塞
對(duì)于5G應(yīng)用來說,VCO阻塞規(guī)范在需要考慮存在強(qiáng)發(fā)射的蜂窩系統(tǒng)中非常重要。如果接收器信號(hào)很弱,并且VCO噪聲太高,那么附近的發(fā)射器信號(hào)可能會(huì)向下混頻,淹沒目標(biāo)信號(hào)。
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圖7:VCO噪聲阻塞(圖片來源:ADI)
上圖演示了如果接收器VCO噪聲很高,附近的發(fā)射器(相距800kHz)以-25dBm功率發(fā)射時(shí),是如何淹沒-101dBm目標(biāo)信號(hào)的。這些規(guī)范構(gòu)成無線通信標(biāo)準(zhǔn)的一部分。阻塞規(guī)范直接影響VCO的性能要求。
低相位噪聲晶振
在高頻設(shè)計(jì)中,我們所采用的晶振主要是石英晶振。一些外界因素(比如溫度),會(huì)影響晶振的穩(wěn)定。Digi-Key網(wǎng)站提供詳細(xì)的晶振參數(shù)供大家篩選(詳見Digi-Key晶振),而對(duì)于相位噪聲這個(gè)性能指標(biāo)的篩選,大家可以關(guān)注“頻率穩(wěn)定性”這個(gè)參數(shù)。
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圖8:Digi-Key晶振選型頁面中的“頻率穩(wěn)定性”參數(shù)
另外,晶振類型也是一個(gè)很重要的因素,如下圖所示:
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圖9:Digi-Key晶振選型頁面中的“類型”參數(shù)
以下是我們對(duì)常見晶振類型特性的總結(jié): t.gif
如需了解晶振相關(guān)的內(nèi)容,可以點(diǎn)擊查看下面這個(gè)帖子——電子元器件選型基礎(chǔ)-晶振。
本文小結(jié)
從噪聲角度來講,信號(hào)鏈的目標(biāo)就是使振蕩器相位噪聲曲線的劣化程度最小化。因此在這些高性能系統(tǒng)中,對(duì)于晶振的要求也更高。所以為目標(biāo)應(yīng)用選擇合適的晶振,可以讓設(shè)計(jì)事半功倍。
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