时钟抖动和相噪及其测量方法

发布者:阳关三迭最新更新时间:2015-05-19 来源: eechina关键字:时钟抖动  相噪  测量方法 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
抖动测量一直被称为示波器测试测量的最高境界。传统最直观的抖动测量方法是利用余辉来查看波形的变化。后来演变为高等数学概率统计上的艰深问题,抖动测量结果准还是不准的问题就于是变得更加复杂。

时钟的特性可以用频率计测量频率的稳定度,用频谱仪测量相噪,用示波器测量TIE抖动、周期抖动、cycle-cycle抖动。但是时域测量方法和频域测量方法的原理分别是什么? TIE抖动和相噪抖动之间的关系到底是怎么推导的呢? 

抖动是衡量时钟性能的重要指标,抖动一般定义为信号在某特定时刻相对于其理想位置的短期偏移。这个短期偏移在时域的表现形式为抖动(下文的抖动专指时域抖动),在频域的表现形式为相噪。本文主要探讨下时钟抖动和相噪以及其测量方法,以及两者之间的关系。

1 抖动介绍

抖动是对时域信号的测量结果,反映了信号边沿相对其理想位置偏离了多少。抖动有两种主要成分:确定性抖动和随机抖动。确定性抖动是可以重复和预测的,其峰峰值是有界的,通常意义上的DJ是指其pk-pk值;随机抖动是不能预测的定时噪声,分析时一般使用高斯分布来近似表征,理论上可以偏离中间值无限大,所以随机抖动是没有峰到峰边界的,通常意义上的RJ指标是指其RMS值,可以根据其RMS值推算其在一定误码率时的值。目前最常用的分析方法是使用双狄拉克模型。该模型假定概率密度函数两侧的尾部是服从高斯分布的,高斯分布很容易模拟,并且可以向下推算出较低的概率分布。总抖动是RJ和DJ概率密度函数的卷积。




但是,业界对于高斯分布能否精确地描绘随机抖动直方图的尾部还存在争议。真正的随机抖动是遵守高斯分布的,但实际的测量中多个低幅度的DJ会卷积到一个分布函数,这导致测量出的概率密度分布的中心接近高斯分布,而尾部却夹杂了一些DJ。所以,真正的RJ可能只占高斯模型的抖动的一部分,测量中RJ可能被放大了,同时总抖动也会被放大。 
        
2 抖动测量

时钟抖动通常有三种测量方法,对应于TIE(Time Interval Error 时间间隔误差)、period(周期抖动)和Cycle-Cycle(相邻周期抖动)三种抖动指标。

TIE抖动(时间间隔误差),以被测时钟沿与理想时钟沿之间的时间差为样本,即以图中的TIEn为样本,通过对很多个样本进行统计分析,表征时钟沿与理想时钟沿偏离值的变化、分布情况,如下图所示:



Period Jitter(周期抖动),以时钟信号的周期做样本,即以图中的Pn做样本,通过对很多个样本进行统计分析,表征时钟信号周期Pn的变化、分布情况,对于保证数字系统中的建立保持时间规范很有意义。如下图所示:



Cycle-Cycle Jitter(Cycle-Cycle抖动),以时钟信号相邻周期的差值做样本,即以图中的Cn做样本,通过对很多个样本(1K~10K)进行统计分析,表征时钟信号相邻周期变化值的变化、分布情况,一般用于需要限制频率突变的场合。如下图所示:



TIE、Jperiod和Jcycle-cycle三种抖动指标之间的关系如下:
TIE的微分可以得到周期抖动。



其中,Δtpn为周期抖动, tn为实际周期,T0为理想周期,ΔtIEn为TIE抖动。

周期抖动(period jitter)的微分可以得到cycle-cycle jitter。[page]



其中,Δtcn为周期抖动, tn为实际周期,Δtpn为周期抖动。
三者的关系可以用下图表示:



3 相噪介绍

相位噪声反映的是单载波信号的频谱纯度,如果没有相位噪声,信号的所有功率都应集中在其振荡频率f0处(下图左Carrier),这个理想信号用Asin(ωt)表示。由于存在相位噪声(下图左Noise),相当于在理想信号上调制了一个Φ(t)相位信号,此时整个信号表示为Asin(ωt+Φ(t))。在频谱上体现为一部分功率扩展到相邻的频率中去,形成边带(下图右)。相噪定义为单边带某一给定偏移频率fn处1Hz带宽内的功率Pn与信号总功率Ps比值的对数,即 10lg(Pn/Ps),相噪以dBc/Hz@fn为单位来表示。这里dBc的含义是某频点功率与信号总功率的比值(下图右),对应于时钟相位偏移与时钟周期的比值。



4 相噪测量

相噪测量一般使用相噪仪进行,由于技术发展,现在相噪仪不仅可以测量相噪,还可以分析电源等其它信号的噪声,所以相噪仪也称为信号分析仪。相噪仪的原理与频谱仪类似,但是更加精密,并增加了一些特定的分析功能,因此使用频谱仪也可以粗略地测试相噪。相噪仪测试相噪有多种测量方法,但使用最广泛的还是频谱分析法和鉴相法这两种测量原理。

4.1 频谱分析法
频谱分析法是对时钟信号进行频谱分析,先测量信号总功率Ps,再测量某一偏移频率出的功率Pn,再经过计算便可得到该被测时钟的单边带相位噪声。频谱分析法是一种简单直接的相噪分析技术,适宜于测量漂移较小但相位噪声相对较高的信号;但是频谱分析法不能分辨出调幅噪声和相位噪声,测试波形不太完美的时钟信号相噪时会存在较大误差;另外由于频谱仪的动态范围和最小分辨带宽的限制,测量精度受限。

4.2 鉴相法
鉴相法采用外差混频方式将被测时钟信号转化至中频,在中频用一个锁相环提取出被测时钟信号的载波信号,再将该信号与被测信号正交鉴相,从而提取被测时钟信号的相位噪声Φ(t) ,处理后得到频域相噪SΦ(f) ,进一步积分可以得到L(f) ,L(f)对应于RMS相噪。鉴相法的优点是动态范围大,相噪电平采用低噪放大器提高灵敏度,并且可以分辨调幅噪声和相位噪声。



另外,鉴相法还可以进一步增加互相关技术来增加灵敏度。互相关技术是将两路鉴相法组合起来,对其输出信号执行互相关操作。待测时钟的噪声通过每路通道仍然是相关的,不受互相关影响;每路通道内部产生的噪声是不相关的,被互相关操作抑制。引入互相关技术后无需特别精密的器件就可以实现更高的测量灵敏度。



5 抖动与相噪分析及转换

5.1 相噪转化为抖动的计算
相位噪声到抖动的转化,可以有如下的公式推导。
频率f1到f2的相噪频谱积分可得到相噪Φ(t)的RMS值的平方(RMSΦ(t))2:



其中,SΦ(t)为相噪频谱,L(f) 为积分后的相噪。由于相噪曲线为不规则曲线,运算量很大,实际测量时该积分运算由仪器完成。[page]



总的信号可以表示为以下函数:



其中C(t)表示总的信号,Φ(t)表示调制其上的相位噪声。将Φ(t)与周期/频率结合起来可以得到TIE抖动的表示为:



另有,TIE抖动的RMS值为:



其中,L(f)是关心频段内相噪的积分。
从下面的测量可以得到10Hz到30MHz的积分相噪是-51.5dBc,以该测量为例计算:




5.2 相噪与抖动测量值的比较
下面四幅图分别是时域的TIE、Jc-c、Jperiod和频域的相噪,可以看到四个测量值有很大的差异,原因可能有以下几点:
● 相噪测试时设定了具体的积分带宽,这个带宽一般在几十兆Hz以内。而时域抖动测试并没有带宽限制,其带宽限制只取决于示波器仪器本身;
● 仪器在测量过程中引入噪声,这里示波器的底噪大于相噪仪,引入的噪声会更大些;
● 相噪仪只是观察到每一个时刻的噪声,示波器可以累积观察一段时间的噪声;
● 相噪测试时以输入信号本身的频率作为基频,忽略了信号的频偏;而示波器测量TIE时会以理想时钟作为参考。



6 小结

抖动测量就像是盲人摸象,每种方法都有其局限性。工程师需要深入了解系统的抖动的要求,以及各种抖动测量技术的原理和优劣,根据需要选择合适的抖动测量评估方法。
关键字:时钟抖动  相噪  测量方法 引用地址:时钟抖动和相噪及其测量方法

上一篇:汽车电子中常见的器件测试
下一篇:三相电源测量知识ABC

推荐阅读最新更新时间:2024-03-30 22:58

一种新型测量方法催热电容传感器的应用
  过去,由于被认为具有难以控制、不易读取、易于老化和温度要求严格等特点,电容传感器很少用于汽车电子之中。 但另一方面,它们也具有生产成本较低、外形适应简单、功耗低等特性,从而推动了它们的应用。如今,一种新型测量技术的出现,使得汽车中电容传感器的应用数量大幅增长。   宏观上讲,电容传感器通常是通过将电容转换成电压、时间或者频率等另一种物理变量来进行分析。而在微观上,电容传感器已经长期用于汽车之中;微机械加速度传感器就是基于这个原理设计的。这些经常用来检测电荷转移。   一种用于探测电容的新方法采用改进后的Σ-Δ转换器的输入级来检测出未知的电容,并将其转换成数字信号。 这种方法使用了电容数字转换器(CDC),在本文中要与几个可
[测试测量]
一种新型<font color='red'>测量方法</font>催热电容传感器的应用
半导体电阻率的多种测量方法应用与注意事项
   半导体 电阻率 的多种 测量 方法应用与注意事项依据掺杂水平的不同,半导体材料可能有很高的电阻率。有几种因素可能会使测量这些材料电阻率的工作复杂化,其中包括与材料实现良好接触的问题。已经设计出专门的探头来测量半导体晶圆片和半导体棒的电阻率。这些探头通常使用硬金属,如钨来制作,并将其磨成一个探针。在这种情况下接触电阻非常高,所以应当使用四点同线(collinear)探针或者四线隔离探针。其中两个探针提供恒定的电流,而另外两个探针测量一部分样品上的电压降。利用被测电阻的几何尺寸因素,就可以计算出电阻率。 看起来这种测量可能是直截了当的,但还是有一些问题需要加以注意。对探针和测量引线进行良好的屏蔽是非常重要的,其理由有三点: 1
[测试测量]
半导体电阻率的多种<font color='red'>测量方法</font>应用与注意事项
时间的测量方法
1、周期的测量 (1)计数法测量周期,如图1所示: 图1 计数法测量周期 多周期测量:即先对输入信号进行10n分频,计数器计得10n个被测周期内的时标脉冲数,得到10n·tx,最后再将显示值的小数点向后移动n位即可得到tx的值,即tx= nts/10n。 多周期测量周期,如图2所示: 图2 多周期测量周期 (2)法测量周期 将示波器的扫描速度微调旋钮置“校准”位置 2、时间间隔的测量 (1)用示波器测量时间间隔和脉冲宽度 时间间隔测量,如图3所示: 图3 时间间隔测量 (2)用示波器测量脉冲上升(或下降)时间 脉冲的上升时间tr的定义是电压幅度在0.1~0.9高度之间的时间。 用示波器测量脉冲上升(或下降)时间,
[测试测量]
时间的<font color='red'>测量方法</font>
串联电池电压及温度测量方法研究
一、引言 在提倡节能减排的时代背景下,新能源的研究正成为公众关注的焦点,以电为动力的电动车就是研究的热点之一。电池是电动车的能量之源,为确保电池组性能良好并延长其使用寿命,需要对电池组进行管理和控制,其前提是必须准确而又可靠的获得电池现存的容量参数。电池的电压及温度是和电池容量密切相关的两个参数,因此精确采集单体电池电压及温度是十分重要的。 二、常用测量方法分析 1、单体电池电压测量方法分析 串联电池组单体电池电压的测量方法有很多,比较常见的有机械继电器法隔离检测、差分放大器法隔离检测、电压分压法隔离检测、光电继电器法等。机械继电器法可直接测量每个单体的电压,但是机械继电器使用寿命有限、动作速度慢,不宜使用在长期快速巡
[嵌入式]
高压绝缘子污秽测量方法研究与测量仪设计
1 引言   随着工业的发展,电网容量的增大和额定电压等级的升高,电力系统输变电设备外绝缘的污闪事故日益突出,给国民经济带来了巨大的损失。随着环境污染的加剧、电力系统规模的不断扩大以及对供电可靠性的要求越来越高,防止污闪事故的发生已经成为十分重要的研究内容。 2 污闪发生的过程及绝缘子污秽的度量 2.1 污闪的形成过程   绝缘子的污秽闪络是指输变电设备在工作电压下的污秽外绝缘闪络。这种闪络不是由于作用电压的升高,而是由于绝缘子表面绝缘能力降低引起的。   高压运行中的绝缘子,在自然环境中,表面沉积有来自人为的与自然的各种污秽物,如各种工业污秽、盐碱地的污秽、道路与农田的灰尘等。其中含有导电性的成分(主要是各种盐类、酸、
[测试测量]
高压绝缘子污秽<font color='red'>测量方法</font>研究与测量仪设计
电力变压器直流电阻的快速测量方法----软件设计
5.2电力变压器直流电阻测试仪的软件设计 5.2.1总体设计思路 软件系统按其功能主要分为三部分:准备程序、键功能程序和系统控制程序,软件的主程序框图如图5-7所示 当装置上电或复位时,程序首先进入主程序中的初始化模块,进行各芯片寄存器的初始化。当出现故障时,进行故障处理。无故障时,初始化完成后,装置运行键盘监控和显示程序,如有键按下,则转到相应的键处理程序,否则循环运行键盘监控和显示程序。 5.2.1.1准备程序 准备程序应完成系统键操作之前的准备工作。它包括: (1)初始化。将系统中所有的命令、状态以及有关的存储单元置位成初始状态。 (2)系统测试。利用测试程序检查程序存储器、数据存储器以及硬件功能是否正常
[测试测量]
电力变压器直流电阻的快速<font color='red'>测量方法</font>----软件设计
电子测量仪有哪些测量方法
  1按测量手段分类   1.1直接测量:在测量过程中,能够直接将被测量与同类标准量进行比较,或能够直接用事先刻度好的测量仪器对被测量进行测量,直接获得数值的测量称为直接测量。   1.2间接测量:当被测量由于某种原因不能直接测量时可以通过直接测量与被测量有一定函数关系的物理量,然后按函数关系计算被测量的数值,这种间接获得测量结果的方式称为间接测量。   1.3组合测量:当某项测量结果需要用多个未知参数表达时,可通过改变测量条件进行多次测量,根据函数关系列出方程组求解,从而得到未知量的测量,称为组合测量。   2按测量方式分类   2.1直读法:用直接指出被测量大小的指示仪表进行测量,能够直接从仪表刻度盘商或从显示器上读取被测量数
[测试测量]
电力变压器直流电阻的快速测量方法----动态测量法
2.2动态测量法 动态测量法不需要等到稳定后再测量直流电阻值,而是利用电感线圈充电过程中的电压、电流数据来测量计算其电阻等参数的方法。 2.2.1二阶振荡法 二阶振荡法测量原理电路如图2-8所示 开关K闭合后的回路电压方程为 电流方程为 初始条件为 解得: 其中 通常Rn+Rx 2Lx,则δ 1,振荡频率ω主要由参数 Lx、C决定。可见,在测量回路中串入电容,人为的将一阶指数衰减电路改变成二阶小阻尼振荡电路,导致回路中的电流产生极点(di/dt=0)。又因为绕组的电感压降UL = Lx (di/dt),当di/dt=0时,UL= 0,因此消除了电感压降的影响,可以快速测量直流电阻值
[测试测量]
电力变压器直流电阻的快速<font color='red'>测量方法</font>----动态测量法
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
最新测试测量文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved