标签: 相位噪声

频率稳定度分短稳和长稳。短稳是指由相噪，电源和负载变化引起的频率波动；长稳是指因老化等引起的频率漂移。相位噪声是晶体振荡器短期稳定度的重要指标。今天凯擎小妹就来讲一下相位噪声的概念及其应用： 频域和时域： 相位噪声或抖动越小，输出信号稳定性越高 频域：相位噪声 振荡器在不同频率处相位噪声水平的指标。它表示单位频率范围内的相位噪声功率，单位是dBc/Hz。其中 dBc 是以 dB 为单位的在该频率处 1Hz 带宽内的噪声功率与信号总功率比值。 时域：抖动 抖动（又称时间抖动），是实际测量到的信号在时域上与理想信号的偏差。以 1MHz的脉冲信号为例，理想的持续时间应该是1us，每500ns会有一个跳变沿，由于各种因素的存在，信号周期会发生变化，造成抖动。 应用： 相位噪声是晶体振荡器短期稳定度的重要指标。KOAN 晶振的相位噪声在不同的应用领域中都具有重要性，尤其是对于需要高精度时钟或频率稳定性的系统。以下是一些应用领域中相位噪声的重要性： 通讯系统 如果本振信号的相噪较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度;影响通信接收机信道内、外性能测量。如果要求接收机灵敏度越高，相噪也必须更好。 雷达和导航系统 相位噪声会影响系统的定位精度，尤其在长距离和高精度要求的场景下。为了提高空间检测能力，低相噪非常重要；尤其低重复周期雷达，调制后的两根载频频谱的远端相噪可能发生叠加。 医疗设备 在医疗设备中，如核磁共振成像（MRI）或超声波系统，时钟的稳定性对于诊断和治疗的精确性至关重要。相位噪声可能影响成像质量和数据精确度。 工业控制和测量 在工业自动化和测量系统中，精准的时序和频率同步对于确保系统稳定性和准确性至关重要。相位噪声可能导致系统测量误差和控制不稳定。

我们常说的相噪就是单边带相位噪声，是指振荡器信号周围噪声频谱的频域视图。它体现了振荡器的频率稳定性，其好坏对于仪器系统的性能非常重要。 因此，因此对其准确测量也是必不可少的工作。对于电子测试工程师来说，可以利用频谱分析仪的重要功能，来对相位噪声进行分析。具体的操作方式是什么？今天就来手把手告诉大家。 今天我们用到的测试仪器是同属于是德科技旗下的信号源N5182B和频谱分析仪N9020B。 打开每日E问APP，可以通过搜索仪器型号、设置筛选条件等方式，查询到这2款仪器的产品参数、配置指南等具体信息，便于直观了解。 测试仪器已经有了，接下来便是正式的操作过程。 首先，我们将信号源的频率设置为1GHz。 其次，再将信号源的功率设置为0dBm。 接下来，我们再设置频谱仪的参数，将中心频率设置为1GHz。 然后我们再打开信号源RF输出。 跟着打开频谱仪测试菜单，选择相位噪声功能，点击自动测量。 这样，我们就可以看到相位噪声的测试结果，可以看到最小和最大偏移频率指定的频率范围内的相位噪声测量值。 以上便是“使用频谱仪测量信号源相位噪声”的详细方法。 ——作者 君鉴科技/君鉴云课堂 ——来源 每日E问 http://www. eteforum

随着科技的发展，我们传输的数据变大，传输的距离变长，对频率稳定度的要求变高。 差分输出（例如PECL, LVDS, HCSL) 可以满足高速数据传输。 信号完整性(SI) 信号完整性包括由于互连结构、电源系统、电子器件等引起的所有 信号质量及延时等问题 。高比特率和更长的传输距离会让信号受到噪声，失真，损耗等影响。信号波形畸变导致电路无法正确的接收信号，从而导致电路不正常工作。在接收信号中，可能错误判断发送器输出的“0”、“1“。 晶振的抖动和相噪 晶振作为核心的电子器件。选择KOAN低相噪晶振，即KJ系列可以满足在精密电子仪器，无线电定位，高速目标跟踪和宇航通信等领域的需求。更多内容：《 晶振参数：相位噪声&抖动 》。抖动是信号偏离理想位置的程度，表示的是时域特征。从频域来看，对应的参数是相位噪声。时间和频域之间的关系互为倒数Time=1/Frequency. 相位噪声的形成因素主要三方面：A区主要是晶体Q值来决定; B区主要是晶体外围电路(包括IC)来决定; C区主要是信号输出(白噪声)来决定. 电源完整性(PI) 除了选择低抖动的元器件以外， 稳定的电源输出 也是一个重要因素。电源完整性是电源波形的质量。在充放电过程中，电池的电压也会发生变化。电源噪声控制在合理的范围内，为芯片提供稳定的电压，实时响应负载对电流的快速变化，并能够为其他信号提供低阻抗的回流路径。以 KOAN温补晶振 为例，电压变化会产生±0.3ppm的频率变化。电路设计中，PMIC电源管理芯片可以根据需要提高、降低或者调节电压，然后把调整后的电压提供给系统子组件使用。

低噪声晶振主要减少振荡器内部噪声对输出信号的影响，以获得短期频率稳定性的晶体振荡器。噪声会引起输出信号频率的随机起伏：起伏小，稳定度越高。 晶振噪声的由来 晶振的短期频率稳定度由噪声引起导致的频率不稳定。其中，电噪声是根本原因，包括热噪声，散弹噪声，以及闪变噪声。导体的无规律热运动带来热噪声。改善毫秒级稳定度可以降低闪相噪声，白相噪声。 改善噪声的方法 1. 晶振IC 晶振内部IC包含晶体管，二极管，电阻，电感，电容。这些元件都存在噪声。 电容和电感：有功电阻小，可视为无噪声元件。 晶体管：作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。振荡器的噪声主要来自晶体管的内部。应减少晶体管的数量或者采用噪声低的晶体管。 2. 晶片Q值 除IC以外，石英晶体需要有尽量高的在线Q值，这是保证高频率稳定性，低噪声，低老化的重要条件。 3. 激励电平 振荡输出信号中的噪声和晶体的激励电平有关。激励电平是晶体在工作时消耗的电量，通常以毫瓦和微瓦来表示。提高激励电平可以改善振荡器的短期频率稳定性。 Drive Level = (Irms2x R) Irms =测得的流经石英晶体的均方根电流； R = 石英晶体的最大电阻 频域和时域的关系 从频域来看，对应的参数是相位噪声Phase Noise；从时域来看，对应的参数是抖动Jitter。时间和频域之间的关系互为倒数Time=1/Frequency。 1. 抖动: 总抖动=随机抖动+确定性抖动： 随机抖动是无界的，不可预测，通常由热噪声引起。如果幅度足够大，会导致随机时序误差或者抖动。 确定性抖动在幅度上是有界的，可预测，信号上升和下降时会导致数据幅度不规则，逻辑电平可能会不规则。 2. 相位噪声的形成因素主要三方面： A区主要是晶体Q值来决定。高频晶体有很高的近载波相位噪声, 因为他们有低的Q值和更宽的边带。 B区主要是晶体外围电路(包括IC)来决定。 C区主要是信号输出(白噪声)来决定。

晶振是个大家族，除了SPXO外，更有压控晶体振荡器（VCXO）、温补晶体振荡器（TCXO）、恒温晶体振荡器（OCXO），以及数字补偿晶体振荡器（MCXO或DTCXO），每种类型都有独特的性能，例如相位噪声和抖动(jitter)这两个指标。 什么是相位噪声和抖动？ 简单讲，抖动(jitter)是某一事件的时程与理想时程的时间偏差，单位以fs（微微秒、飞秒，即10-15秒），或者ps（皮秒，1ps = 1000fs = 10-12秒）表示。 如果用仪器测量，呈现出的是信号的频域特性，称作“相位噪声（Phase Noise）”。本质上，这两者是一样的，只是表述方式不同而已。 （1）抖动 抖动分确定性抖动（Deterministic jitter，DJ）和随机性抖动（Random jitter，RJ）两种。DJ通常幅度有限，以单位时间表示；RJ为高斯分布，以RMS均方根值表示，RMS Jitter值大小与振荡输出频率成反比。 晶体振荡器的RMS Jitter值与输出频率成反比 晶振的抖动通常由噪声引起，并导致频率不稳定。对于精密电子仪器、无线电定位、高速目标跟踪和宇航通信等应用领域，选择低噪声晶振十分重要。 （2）相位噪声 相位噪声（Phase Noise）是抖动在测量仪器上的表现，通常定义为一个振荡器在某一偏移频率fm处1Hz宽带内的单边信号功率和信号总功率比值，单位是dBc/Hz，通常表示为dBc/Hz@fm。 若没有相位噪声，振荡器的整个功率都集中在f0（10MHz为例），功率频谱就是一条以f0为中心的直线，且信号为纯正的正弦波。但是任何信号都有不稳定性，从而产生了边带sideband。 相位噪声的来源主要有三方面： （1）晶体品质Q值。高频晶体有很高的近载波相位噪声（Close-in Phase Noise）, 因为他们有低的Q值和更宽的边带。 （2）晶体外围电路：包括包括IC、RC元件、引脚等。 （3）信号输出(白噪声)。 高速系统对晶振相位噪声的要求 在通信网络、无线传输、ATM和SONET等高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。不仅如此，它还会导致通信链路的误码率增大，甚至限制A/D转换器的动态范围。有资料表明，在3GHz以上的系统中，时间抖动（jitter）会导致码间干扰（ISI），造成传输误码率上升，这就要求晶振选型必须满足严格的抖动指标。 如果需要设备即开即用，就必须选用VCXO或温补晶振；如果要求稳定度在0.5ppm以上，则需选择数字温补晶振（MCXO）。模拟温补晶振适用于稳定度要求在5ppm～0.5ppm之间的需求。VCXO只适合于稳定度要求在5ppm以下的产品。在不需要即开即用的环境下，如果需要信号稳定度超过0.1ppm的，可选用OCXO。 面向高速通讯应用的高频低噪声晶体振荡器 一般来说，晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。例如，对于需要低噪声、稳定和精确时钟源的工业级设备（比如收发器模块或数据中心），可选择150fs小型塑封石英PLL振荡器；而通讯、导航、雷达应用领域的要求会有更高如50fs，这需要将100MHz以上基波起振的高频石英晶体单元与噪音特性优越的振荡IC相组合。