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定时抖动与相位噪声的差别是什么?

串行数据传输速率不断攀升,以应对更快获取更多数据的日益增长需求。随着数据速率的增加,时序余裕减少,促使设计人员将数据定时的不确定性降到最低。在指定数据定时的不确定性时,可以根据您自己的专业背景来选择两种形式中的任何一种。两个参数为抖动与相位噪声。

相位噪声和抖动均可以说明信号定时的稳定性,且相互关联。本质上,这是两种描述时钟或数据流中定时不确定性的方法。相位噪声是信号频率的不稳定性,以频域表示,而抖动是信号波形在时域中的变化。

选择考虑频域还是时域通常取决于应用:射频工程师一般会选择相位噪声,而数字设计人员更可能会使用抖动。

抖动以及相位噪声的定义与测量

抖动是信号定时与理想状态之间的差异,通常用示波器来测量。抖动有几种形式,包括边沿或相位抖动(称为时间间隔误差)、周期抖动或相邻周期抖动(相邻周期的期间差异)。任何类型的抖动都可以分为两个主要部分:随机或确定性抖动。随机抖动通常无限制,这意味着抖动峰值随时间的增加而增加。确定性抖动元素有限制,不会随着时间推移而增加。每个主要部分都包含多个子部分,但不在本文讨论范围内。

相位噪声的着重点是频域中时钟基频附近的信号功率。信号相位或频率的变化表现在频谱线的宽度上。定时不稳定性越高,频谱线越宽。图 1 提供了一个示例。

图 1:时钟信号的抖动(上方迹线)与相位噪声(下方迹线)比较。(图片来源:Digi-Key Electronics)

上方迹线是一个边沿为 100 MHz 的时钟信号视图。视图中打开了显示持久性功能,因此可以看到边沿位置历史信息。时钟边沿随着时间变化水平移动。这种变化即为时钟边沿抖动。在这种情况下,峰峰值抖动约为 100 ps。

下方迹线显示了水平扩展至 100 MHz 时钟信号频谱的视图,其中采用功率密度显示。四个重叠频谱显示了边沿抖动值为 10、50、100 和 500 ps 的频谱宽度差异。请注意,随着抖动量增加,频谱线会变宽。相位噪声通常采用频谱分析仪或专用相位噪声测试装置进行测量,一般在与时钟基频有固定频率偏移时出现。例如,在载波偏移为 10 kHz 时,相位噪声可能指定为 -96 dBc。

控制抖动和相位噪声

设计人员可以利用低相位噪声时钟发生器来控制时钟分配链中的抖动和相位噪声,例如 Analog DevicesADF4001BCPZ。该产品提供 200 MHz 带宽,在时钟频率偏移 1 kHz 的情况下,典型相位噪声规格为 -99 dB/Hz(图 2)。

图 2:Analog Devices 的 ADF4001BCPZ 是一款 200 MHz 低相位噪声时钟发生器,在时钟频率偏移 1 kHz 时,典型相位噪声规格为 -99 dB/Hz。(图片来源:Analog Devices)

若将时钟分配给多个器件,则需要零延迟时钟缓冲器。除了保证定时偏移非常小之外,这些器件还能减少由于其内部锁相环 (PLL) 引起的抖动。例如,Cypress SemiconductorCY2308SXC-3T 零延迟缓冲器有两组四路输出。工作频率范围为 10 至 133 MHz,输出端的典型相邻周期抖动为 60 ps(图 3)。

图 3:Cypress Semiconductor 的 CY2308SXC-3T 零延迟缓冲器采用 16-SOIC 封装,输出端的典型相邻周期抖动为 60 ps。(图片来源:Cypress Semiconductor)

总结

综上所述,一开始提到的问题的答案是:相位噪声和抖动是两种不同的视图,反映了关于时钟或数据定时稳定性的相同信息。相位噪声为频域视图,抖动为时域解读视图。选择优质元器件可以帮助减少抖动与相位噪声。

关于此作者

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Arthur (Art) Pini 是 Digi-Key Electronics 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验,曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣,在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。

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