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时钟201系列: 非相位噪声的情况 (第一篇)

2019-10-31
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欢迎来到Silicon Labs(亦称“芯科科技”)的新系列博客文章时钟201”的第一篇内容-非相位噪声的情况-第一部分。我们之前的系列博文“时钟101”在大约一年半的时间里发表了12篇文章。正如它的名字所暗示的,我们打算用比“时钟101”更广泛和更深入的内容来讨论时钟设计的主题。
 
多即是少
您可能还记得,时钟缓冲区通常是根据附加抖动指定的。这是因为它们没有像XO(晶体振荡器)或锁相环的VCXO这样的固有相位噪声源。它们只包括放大器和分频器。因此,与单独使用XO相比,我们通常认为XO之后的时钟缓冲区至少在一定程度上增加了相位噪声或抖动。
 
在所有条件相同的情况下,这是常见的一种情况,除非放大器有足够高的增益作为一个限制放大器或LA。如此一来,测量源+ LA相位噪声实际上可能会降低。几年前我就遇到过这种现象,当时我在评估各种时钟+缓冲区组合。结果并不总是有意义的,在那个时候,我测量的一些噪音,实际上并不是相位噪音,因此特别将此经验做为这个案例的标题并与开发人员分享。
 
为了了解这是如何发生的,让我们来看看这里所谓的表观测量相位噪声是什么意思。
 
相量
你可能还记得我在之前的《时钟101 #7:杂散相位噪声第二部分的案例》中讨论过调制突波。在那篇文章中,我考虑了AM(振幅调制)和窄带FM(频率调制)或等效PM(相位调制)相对较少的载波。比较AM和FM/PM的一般性想法也适用于AM和FM/PM噪声。
 
我当时没有涉及的一个话题是AM和NB FM的相量或相位矢量表示,如下图所示。载波矢量以粗红色箭头表示,调制LSB(下边带)和USB(上边带)矢量分量以细蓝色箭头表示。调制的矢量和或合成就是粗大的蓝色箭头。调制频率为f<下标>M,旋转箭头表示调制矢量随时间随载波的变化。总体矢量和是载波+调制合成的几何加法。

相量表示的有用之处在于,它表明载波的随机噪声调制可以看作是由AM和PM两部分组成。也就是说,引起载波幅度变化的噪声分量是调幅分量。同样地,引起载波角度变化的噪声成分是FM或等效PM成分。
 
强调这种区别通过使用脚本L (f)或者ℒ(f)引用点噪音或“真正的”相位噪声和脚本M (f)或者ℳ(f)指的是噪音。我知道的第一篇使用这个符号的论文是:
谱密度分析:信号稳定性的频域规范和测量,Donald Halford, John H. Shoaf, A. S.Risley,美国国家标准局,Boulder, CO,在第27届频率控制年度研讨会上发表,1973年6月12-14日,https://tf.nist.gov/general/pdf/1558.pdf
 
AM + PM的噪声大小将是单个调制贡献的RSS或根平方和。同样处理这些噪声成分的仪器将直接“看到”RSS噪声为相位噪声。这就是所谓的表观相位噪声,它是频谱分析仪的一个特殊问题,如下所述。
 
简要介绍频谱分析仪
正如我在时钟101 #7中提到的,频谱分析仪不保存相位信息,所以低调制AM激励与窄带低调制FM激励相似。

下面是一个典型的扫频频谱分析仪的框图,它说明了原因。它本质上是一个校准频率选择性峰值响应电压表。在混频器中,DUT(被测设备)和LO(本振)输入之间的相位差是任意的。频谱分析仪对它们的相对相位一无所知,AM和PM无法区分。


 
简要介绍相位噪声分析仪
相比之下,相位噪声分析仪对调幅的影响要小得多。下面的简化框图给出了相位噪声分析仪和信号源分析仪通常使用的方法背后的基本思想。混合器通常是双平衡混合器,以抑制均匀级混合产品。

请注意,与频谱分析仪不同,这里有一个锁相环(PLL),它强制DUT和参考之间的特定相位关系。进一步,可以表明,AM和PM可以区分如下。
·        如果相位偏移量为90度,则混频器检测到PM并抑制AM
·        如果相位偏移量为0,则混频器检测到AM并抑制PM
 
根据设计,相位噪声分析仪在抗调幅方面将优于频谱分析仪。
 
探索使用极限
那么,限制放大器或LA到底是如何帮助我们的呢?线索就在LA的行为上:它从时钟信号中移除,或者至少最小化振幅变化。因此,如果一个源同时具有AM和PM噪声分量,那么理想的限幅器将去除AM分量噪声,只留下PM噪声(真正的相位噪声)。下图给出了基本的想法:
 
现在回到最初的工作,这促使这篇文章的产生。如果一个时钟源有明显的相位噪声,其中包括AM和PM噪声,那么在它之后加上一个高增益时钟缓冲器或LA将去除AM,导致比预期的测量相位噪声更小。新组件显然产生了“减法”抖动,而不是产生附加抖动。这就是相位噪声的情况。
 
在进行相位噪声测量时,什么时候应该考虑AM?
简而言之,在进行仔细的抖动和相位噪声测量时,AM总是一个潜在的考虑因素。在实验台上有一个限制器和一个平衡杆一样重要。
 
然而,在某些特定情况下,AM可能比其他情况更成问题。
  1. 使用频谱分析仪或任何其他不能充分抑制AM的仪器测量相位噪声。即使在使用相位噪声分析仪时,限幅器也很有价值,因为它可以抑制超过混频器抑制能力的AM。这可能是必要的,当测量非常低相位噪声源。
  2. 测量低频低相位噪声源。你可以回想一下20log(N)规则,也就是说,如果一个时钟的载频除以一个N的因数,那么我们期望相位噪声减少20log(N);然而,这个规则只适用于相位噪声。果存在显著的AM噪声,那么当我们降低载波频率时,这个分量将变得更大,并可能影响测量结果。
  3. 测量已知或怀疑有AM噪声的源。高共模噪声的时钟源属于这一类。例如,在测试振荡器的电源抑制时,我们专门注入电源纹波。这就是为什么您会看到如图5所示的限制放大器。AN491中的PSRR设置:低抖动时钟的电源拒绝。查看下图中突出显示的来自该应用程序注释的块。
  4. 故障排除。最后,在对系统进行故障排除并确定性能问题的根本原因时,区分相位噪声和激励、AM噪声和激励的能力非常有用。还需要进行其他测试,以确定最终接收器对包括AM噪声在内的时钟损伤的敏感度。

结论
希望大家喜欢本期的时钟201博文。在下一篇文章中,我将给出一些度量示例并提供一些经验法则。和往常一样,如果您对本博客有主题建议或与时间相关的问题,请将它们发送到kevin.smith@silabs.com,并在主题行中注明“时钟201”。感谢您的阅读。

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