ECS OSCILLATOR CRYSTAL如何降低相位噪声

ECS OSCILLATOR CRYSTAL如何降低相位噪声，40多年来，我们满足了全球对频率控制解决方案不断增长的需求，如有源晶体振荡器、MultiVolt振荡器、AEC-Q200合格晶体、功率电感、实时时钟等。

ECS公司引以为豪的是，我们在频率控制和定时解决方案的设计和工程方面处于领先地位。我们渴望引领行业和充满激情的人们激发技术解决方案，创造一个更先进的世界。

相位噪声、抖动和频率控制元件之间的关系是电子系统设计和优化的基础。通过利用针对相位噪声和抖动控制而优化的先进频率控制技术和产品，可以减轻相位噪声和抖动对系统的影响，从而实现高性能、可靠的通信系统。

什么是相位噪声和抖动，它们是如何连接的？

在全球范围内通信和移动数据的能力不断提高，这使得我们的星球似乎每天都在变小。随着对更快的蜂窝和互联网速度的需求不断增长，我们看到数据传输速率呈指数级增长。随着这些数据速率的提高，它们必须突破当前的时序裕量限制。定时裕量是提供商用于所有用户付费流量的干净、可用的带宽。可以想象，更干净的带宽等于更多的数据；更多的数据意味着同一个网络上有更多的客户，这反过来也意味着更多的利润。

当试图使用时序裕量的边缘时，会出现两种不同但相关的异常情况。这些异常将是相位噪声和抖动。他们都是清洁时钟的重要诽谤者。它们的重要性将取决于你的数据传输方法。RF工程师通常会考虑相位噪声，而数字设计师更可能关注抖动。

如前所述，相位噪声和抖动是干净时钟的减损因素。因此，两者都是频率质量和定时信号完整性的指标。在它们功能的根本上，它们是相互关联的。如果我们观察这两种异常，就可以在系统层面上描述时钟或数据流的时序不稳定性。

相位噪声定义为信号中出现的短期相位波动引起的电噪声。这些随机波动是由称为抖动的时域不稳定性引起的。

振动被定义为高频信号中信号脉冲的偏差。偏差可以是信号脉冲的振幅、相位定时或宽度。

相位噪声和抖动是关于时钟性能的同一信息的两种不同度量。相位噪声是频域中的测量性能，抖动是时域中的测量性能。

让我们仔细看看相位噪声和抖动的定义和测量，因为它们应用于电子电路中的时序。

什么是相位噪声

相位噪声是指信号两侧的噪声频谱，与中心频率或频域中的基本时钟相邻。相位噪声是信号随机相位变化产生的抖动的结果。信号相位或频率的水平用谱线的带宽来表示。时间不稳定性越大，谱线越宽。要定义相位噪声，需要指定三个要素:

相位噪声幅度:相位噪声规格的电平或幅度用相对于载波的dB表示。这通常表示为dBc，例如，-50dBc比载波电平低50分贝。采用这种测量方法是因为相位噪声通常随载波电平而变化。当相位噪声随载波电平变化时，规格可以规定在给定载波电平下相位噪声为–n dBc。

与载体的偏移量:相位噪声规格的一个重要部分是相位噪声达到一定水平时的载波偏移。这是因为噪声水平随载波的频率偏移而变化，而频率偏移必须由元件供应商给出。通常，相位噪声越靠近载波，上升速度越快，然后逐渐下降，直至最终达到本底噪声。1kHz、10kHz、100kHz等失调。是通常引用的偏移量。ECS OSCILLATOR CRYSTAL如何降低相位噪声.

测量带宽:噪声功率与带宽成正比，因此有必要说明已经使用的带宽。使用的带宽越宽，通过滤波器并被测量的噪声水平就越高。最方便使用的带宽是1Hz，因为很容易将该电平与其它带宽联系起来。因此，这种相位噪声规格格式几乎已被普遍采用。频谱分析仪无法直接测量1Hz带宽，因为这需要非常窄的滤波器带宽。因此，他们在更宽的带宽内测量信号，并通过数学方法将电平调整到1Hz带宽。

信号发生器或其它有源晶振的典型相位噪声规格在100kHz偏移时可能为-100 dBc/Hz。对于完整的相位噪声规格，将指定几个点来指示不同点的相位噪声，通常是以10为因子变化的点:10 Hz、100Hz、1kHz等。

图一。频谱分析仪和示波器图上的相位噪声图。

所有信号都存在一定程度的相位噪声。在大多数应用中，相位噪声水平并不特别重要，但在SONET、RF通信和蜂窝通信等其它应用中，它对系统的整体运行至关重要。通过选择合适的振荡器及其使用位置，可以降低相位噪声。随着各种无线电系统要求的不断提高，相位噪声是一个越来越重要的参数。

什么是抖动

抖动是信号周期与其完美对称性的不一致性。它可以有几种形式:边沿或相位抖动以时间间隔误差和周期来衡量，或以周期为单位，抖动是相邻周期的周期之差。抖动可以通过两种方式测量和定义:随机抖动或确定性抖动。随机抖动通常是不相关的，因为峰值抖动值会随时间增加。确定性抖动元件是相连的，不随时间增加。下面的示波器曲线显示了抖动。

如何测量抖动

时钟性能最重要的方面之一是抖动。不幸的是，目前还没有测量抖动的行业标准。不过，有几种公认的方法可以确定时钟的抖动水平。根据所使用的测试设备、它们的连接方式以及实际测试条件，这些结果可能会有很大差异。虽然JEDEC标准确实提供了定义和建议的测试条件，但不同测试人员的测量结果缺乏一致性。

所有不同类型的抖动测试都包含三个要素:

被测设备(DUT)–这是您想要测量的组件。

参考SMD振荡器-系统时钟需要有更好的DUT稳定性能。

电源——清洁能源提供精确和可重复的测试。

应使用校准的测量设备进行测试，例如:

示波器

频率计数器

信号完整性分析器

进行时域抖动测量

时域抖动测量可以用示波器进行。示波器可以方便地观察波形和脉冲。大多数供应商提供抖动测量测试包，但需要额外付费。具有高采样带宽(10GS/s+)的高速(1GHz+)示波器应该足以收集所需的数据。请记住，时域抖动测量值，尤其是周期和周期间抖动测量值，是随机的，是多个样本的平均值。JEDEC标准65要求至少1，000个样本，但大多数工程师似乎更喜欢10，000个样本的速率。

周期抖动

周期抖动是测得的时钟周期与理想周期之差。理想周期可能难以辨别，因此将平均观察周期视为理想周期更为实际。这是计时设备制造商提供更精确规格的常见做法。测量周期抖动的标准程序包括随机测量一个时钟周期的持续时间10，000次，并使用记录的数据计算平均值、标准偏差和峰峰值。由于周期抖动的随机性，峰峰值可能会有很大差异。周期抖动可能需要重新测试几次，以获得真正的平均值。

周期间抖动

测量周期间抖动的程序需要测量10，000次两个完整时钟周期的持续时间，并取两者之差。记录的数据用于计算平均值和标准偏差值。峰值仅仅是观察到的周期中的最大差异。如前所述，确定周期抖动时，峰峰值可能变化很大，因此需要多次重新测试周期间抖动才能得出平均值。

时间间隔误差(TIE)抖动

仅使用振荡器时，测量TIE抖动非常困难。通常，需要直方图来绘制测量值与测量发生频率的关系。下图显示了TIE测量的抖动直方图示例。在这种情况下，连续变量被映射到500个箱中，数据集的总人口为3，200，000。TIE的平均值理论上是零，并且从该测量中可以看出，平均值是0 nsec。对于该图，分布近似为高斯分布，标准偏差为1.3皮秒。

相位噪声、抖动和频率控制元件

相位噪声和抖动的存在会显著降低各种应用的性能，例如无线通信、高速数据传输和雷达系统。它们会引入误差、降低信号质量并限制可实现的数据速率和传输距离。为了减轻相位噪声和抖动的不利影响，精确的频率控制元件至关重要。这些元件提供稳定的参考频率、精密频率调谐和低相位噪声特性，以最大限度地减少时序误差并保持信号完整性。

PLL和频率合成器被广泛用于复杂系统中的精密频率控制和降低相位噪声和抖动。这些技术将使用反馈环路和高级滤波来使输出频率与稳定的基准同步，从而最大限度地降低相位噪声和相关抖动。然而，频率控制产品的选择和设计对可实现的相位噪声和抖动性能有直接影响。必须仔细考虑振荡器稳定性和带宽等因素，以确保最佳性能。简而言之，如果系统的性能需要干净、稳定的时钟，那么只有基于石英的晶体振荡器才能实现对当今许多应用至关重要的抖动性能。