很多高頻應(yīng)用，比如鎖相環(huán)、5G應(yīng)用，都離不開時(shí)鐘信號(hào)。而這些高頻應(yīng)用的相位噪聲往往是一個(gè)項(xiàng)目成敗與否的關(guān)鍵因素。本文通過比較理想時(shí)鐘信號(hào)與實(shí)際時(shí)鐘信號(hào)，講解相位噪聲的概念；然后介紹相位噪聲的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)——誤差矢量幅度（EVM）與VCO阻塞；最后介紹應(yīng)該如何選擇低相位噪聲晶振。

理想時(shí)鐘信號(hào)與實(shí)際時(shí)鐘信號(hào)的比較

很多高頻應(yīng)用都離不開時(shí)鐘信號(hào)，下圖是一個(gè)典型的時(shí)鐘信號(hào)的下降沿。理想中的時(shí)鐘信號(hào)如下圖紅線所示，而實(shí)際的時(shí)鐘信號(hào)如下圖紫色線條所示。

圖1：典型的時(shí)鐘信號(hào)的下降沿（圖片來源：ADI） 同樣對(duì)于正弦波來說，理想的正弦波在頻率下對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率信號(hào)，如下圖紅線所示。而實(shí)際由于噪聲和雜散頻率的存在，正弦波在頻域圖像如下圖右邊藍(lán)線所示。

圖2：典型正弦波信號(hào)（圖片來源：ADI）

通常為了正確測(cè)量相位噪聲，我們常會(huì)用到的兩種儀器：

頻譜分析儀：用于測(cè)量信號(hào)的頻域圖

示波器：用于測(cè)量信號(hào)的時(shí)域圖

相位噪聲的概念

我們以鎖相環(huán)PLL的LO（本振頻率）輸出為例，來看看相位噪聲的概念。相位噪聲是指當(dāng)信號(hào)到達(dá)系統(tǒng)接收端時(shí)，由于意外超前或滯后而產(chǎn)生的噪聲。 理想的LO輸出，是沒有噪聲或額外雜散頻率的。

圖3：理想LO輸出（圖片來源：ADI）

但在實(shí)際應(yīng)用中，相位噪聲像裙擺一樣出現(xiàn)在載波邊緣，如下圖所示。

圖4：實(shí)際LO輸出（圖片來源：ADI）

我們可以將相位噪聲數(shù)據(jù)繪制到相對(duì)RF載波的頻率偏差中。

圖5：相位噪聲繪圖方法（圖片來源：ADI）

除了單邊帶相位噪聲，對(duì)于通信系統(tǒng)，從PLL角度來看，誤差向量幅度（EVM）和VCO阻塞也經(jīng)常被使用。

誤差向量幅度（EVM）

誤差向量幅度（EVM），定義為誤差矢量信號(hào)平均功率的均方根值與理想信號(hào)平均功率的均方根值之比，并以百分比的形式表示。EVM越小，信號(hào)質(zhì)量越好。這個(gè)指標(biāo)能全面衡量調(diào)制信號(hào)的幅度誤差和相位誤差。EVM可被認(rèn)為是理想調(diào)制信號(hào)相對(duì)于理想點(diǎn)的性能降幅百分比。

圖6：可視化相位誤差（圖片來源：ADI）

使用信號(hào)分析儀可以有效測(cè)量EVM、積分相位噪聲、均方根相位誤差和抖動(dòng)等。

VCO阻塞

對(duì)于5G應(yīng)用來說，VCO阻塞規(guī)范在需要考慮存在強(qiáng)發(fā)射的蜂窩系統(tǒng)中非常重要。如果接收器信號(hào)很弱，并且VCO噪聲太高，那么附近的發(fā)射器信號(hào)可能會(huì)向下混頻，淹沒目標(biāo)信號(hào)。

圖7：VCO噪聲阻塞（圖片來源：ADI）

上圖演示了如果接收器VCO噪聲很高，附近的發(fā)射器（相距800kHz）以-25dBm功率發(fā)射時(shí)，是如何淹沒-101dBm目標(biāo)信號(hào)的。這些規(guī)范構(gòu)成無線通信標(biāo)準(zhǔn)的一部分。阻塞規(guī)范直接影響VCO的性能要求。

低相位噪聲晶振

在高頻設(shè)計(jì)中，我們所采用的晶振主要是石英晶振。一些外界因素（比如溫度），會(huì)影響晶振的穩(wěn)定。Digi-Key網(wǎng)站提供詳細(xì)的晶振參數(shù)供大家篩選（詳見Digi-Key晶振），而對(duì)于相位噪聲這個(gè)性能指標(biāo)的篩選，大家可以關(guān)注“頻率穩(wěn)定性”這個(gè)參數(shù)。

圖8：Digi-Key晶振選型頁面中的“頻率穩(wěn)定性”參數(shù)

另外，晶振類型也是一個(gè)很重要的因素，如下圖所示：

圖9：Digi-Key晶振選型頁面中的“類型”參數(shù)

以下是我們對(duì)常見晶振類型特性的總結(jié)：

如需了解晶振相關(guān)的內(nèi)容，可以點(diǎn)擊查看下面這個(gè)帖子——電子元器件選型基礎(chǔ)-晶振。

本文小結(jié)

從噪聲角度來講，信號(hào)鏈的目標(biāo)就是使振蕩器相位噪聲曲線的劣化程度最小化。因此在這些高性能系統(tǒng)中，對(duì)于晶振的要求也更高。所以為目標(biāo)應(yīng)用選擇合適的晶振，可以讓設(shè)計(jì)事半功倍。
審核編輯：湯梓紅