| 2018-07-18 |信号完整性日志 - 开云体育官网网站入口

本文提出了一个简单的实验来说明相位噪声[1]如何转换为时间间隔误差(TIE)抖动[2]。这对那些同时处理抖动和相位噪声的硬件专业人员特别有意义，例如工程师分析高速SERDES的参考时钟，或数据转换器的采样时钟，应用程序。在调试系统时，可以使用本文获得的见解来识别和减少各种定时噪声的来源。

TIE抖动和相位噪声之间的一个关键区别是每个[3]所观察到的噪声过程的类型。为了阐明这一点，公式1表示输出电压信号(V_出)作为基带噪声(B)加上特定载频(ω_c)，包括振幅(A)和相位(φ)调制噪声。

V_出(t) = B(t) + A(t)×sin(ω_ct +ϕ(t)) Eq。1

所有三个噪声过程(例如，A, B， φ)影响由示波器测量的TIE抖动。然而，当使用相位噪声分析器(PNA，如Keysight Technologies E5052B)测量时，只有相位调制(例如φ)影响相位噪声，因为PNA在测量[3]期间拒绝振幅噪声。

相位噪声转换为TIE抖动的过程就是混叠[4]。为了说明这一点，我们将分析相位调制(PM)[5]正弦波时钟载波信号(例如sin(ω_cT))出现在信号发生器的输出端。本实验中的PM信号也是正弦波(例如φ (t)=K×sin(ω_pT))，其频率(ω_p)扫过一定范围。例如，图1显示了100 MHz时钟信号的相位噪声图，在大约-40 dBc的情况下增加了1 MHz PM。如图1所示，相位噪声是信号中相位波动的频谱能量密度。顺便说一下，图1显示了信号发生器在180 kHz偏移频率下也输出了一个小得多的-86 dBc的直距，为了这个实验的目的，我们将忽略这个直距。

图1在大约-40 dBc的100mhz时钟信号中增加1mhz PM的相位噪声图。

图2a说明了测试设置，其中使用(1)实时示波器，(2)专用PNA和(3)频谱分析仪[3,6]独立量化100 MHz载波信号上PM的幅度和频率。

图2将信号中的伪PM量化为(b)相位噪声和(c) TIE抖动的实验设置(a)。插图(d-f)缓冲分析信号以去除AM噪声，但在其他方面与(a-c)相似。

被量化为伪相位噪声的PM在图2b中绘制为偏移频率的函数。例如，第一个相位噪声数据点表示1 MHz PM(例如ω_p)在100 MHz载波(例如ω_c)．这里，偏移频率(x轴)等价于PM正弦波的频率。PM(例如K)的幅度被调整为在-40 dBc附近相对恒定，PNA(限制在40 MHz偏移)测量的虚假数据与频谱分析仪的数据很好地一致，这延伸到更高的偏移频率。作为参考，振幅噪声(例如A)[7]也使用高达40 MHz偏移频率的PNA测量，如图2b所示。

图2c将PM量化为伪TIE抖动，并绘制其与PM频率的关系图，在图2c中，PM频率相当于TIE抖动频率。作为参考，图2b中绘制的频谱分析仪数据以dBc(我们将其表示为spur)为单位_dBc)使用式2[8]转换为秒峰-峰的单位。

图2c显示，伪TIE抖动与伪相位噪声在低PM频率下很好地一致，但在30 MHz PM以上呈指数增长。

信号发生器输出的调幅噪声增加的原因与我们的讨论无关，除非找到一种方法将调幅噪声对TIE和相位噪声测量的影响降到最低。回想一下，我们的目标是了解相位噪声是如何转化为TIE抖动的，因此信号中振幅噪声的存在可能导致错误的结论(因为振幅噪声影响TIE抖动而不影响相位噪声)。图3说明了1 MHz和99 MHz PM场景下的振幅到抖动转换过程，其中AM在99 MHz PM的输出信号中清晰可见，而不是1 MHz PM。

图3 PM频率为(a) 1 MHz和(b)至99 MHz时的输出电压波形，后者表现出明显较高的AM噪声。

因为我们想要分析相位噪声(单独)是如何转化为TIE抖动的，我们需要首先去除，或者至少最小化被测信号中的AM噪声。我们通过缓冲信号来做到这一点，如图2d所示，这减少了AM 6 dBc，如图2e所示。缓冲后的信号在示波器和频谱分析仪测得的杂散幅值之间显示出良好的一致性，如图2f所示。因此，我们得出结论，当使用示波器测量伪TIE抖动时，在相位噪声图中观察到的伪PM(例如spur height, K)的大小是保留的(除了从dBc到秒峰-峰的单位变化)。

了解了相位噪声的大小如何映射到TIE抖动之后，让我们分析它的频率是如何转换的。图4说明了发生的混叠过程。在100 MHz时钟载波信号上，上升时钟边缘的TIE抖动频谱扩展到50 MHz，即Nyquist频率[9]，如图4a所示。因此，当测量TIE抖动时，超过50mhz的噪声频率将在50mhz以下混叠。然而，相位噪声是测量载波频率的偏移量，因此在本实验的信号频谱中从100 MHz扩展到200 MHz，如图4a所示。PM频率也从载波偏移，在图4a的顶部画一个单独的刻度来说明用于调制载波的正弦波频率。为了简化讨论，信号频谱中每个连续的50 MHz区域被称为“Nyquist zone”(NZ)，其中nz# 1从0扩展到50 MHz, nz# 2从50扩展到100 MHz，以此类推。

图4 (a)奈奎斯特区3和4别名奈奎斯特区1的相位噪声，分别如(b)和(c)所示。

由PM在nz# 3和nz# 4 alias中产生的伪相位噪声下降到nz# 1，分别如图4b和图4c所示。例如，140 MHz的伪相位噪声反射过100 MHz到60 MHz的混叠，然后再次反射过50 MHz到40 MHz的混叠。同样，199 MHz的伪相位噪声别名为101 MHz, 101 MHz别名为99 MHz, 99 MHz别名为1 MHz。请注意，最后一个示例描述了图3b中所示的场景，其中99 MHz PM音调包括显著的AM，很容易观察到图3b中的1 MHz电压包膜。

图5使用多个x轴映射本实验中感兴趣的各种频域。第一个x轴表示从载频偏移的PM频率如何出现在上升边缘TIE抖动频谱中(y轴)。具体来说，在0到50 MHz之间的PM频率出现在100到150 MHz之间的信号频谱中(即nz# 3)，并且在相同的PM频率下混叠进入TIE抖动频谱，如图5的左半部分所示。类似地，在150 - 200 MHz之间的信号频谱中出现50 - 100 MHz之间的PM频率，并在其镜像频率处混叠成TIE抖动频谱，如图5的右半部分所示。

图5 TIE抖动和相位噪声之间的频率映射，通过100 MHz载波上的伪PM说明，表明相位噪声混淆成为TIE抖动。

结论

本文表明，相位噪声图(由载波频率的偏移量绘制)中的数据简单地别名为TIE抖动频谱。也就是说，更高频率的相位噪声别名低于TIE抖动频谱的奈奎斯特频率。从上升(或单独下降)边缘计算的TIE抖动频谱的奈奎斯特频率等于基本时钟频率的一半。或者，从所有时钟边缘计算的TIE抖动频谱的奈奎斯特频率等于基本时钟频率(上面没有讨论)。最后，虽然上述实验只讨论了伪相位噪声，但所得结论同样适用于随机相位噪声。