【技术】解析有源晶振的相位抖动和相位噪音

时间： 2022-07-30 来源：晶科鑫

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众所周知，晶振产品其实是个大家族，除了无源的石英晶振外，还有普通的SPXO，差分信号输出的SPXO（LVPECL、LVDS、HCSL），更有压控晶体振荡器（VCXO）、温补晶体振荡器（TCXO）、恒温晶体振荡器（OCXO），以及数字补偿晶体振荡器（MCXO或DTCXO），每种类型都有独特的性能，例如相位噪声（Phase noise）和相位抖动（Phase jitter）这两个指标。

什么是相位噪声和抖动呢?

百度上述相位抖动就是，信号相位偏离其参考相位的短期非累积性偏移。相位抖动会产生相位噪声，影响通信质量，严重时可使通信中断。

我们知道抖动是时间上的偏差，它也可以理解成时钟相位的变化，这就是相位噪声。对于时钟信号，我们观察其基波的频谱分布。理想的时钟信号其基波的频谱应该是一根很窄的谱线，但实际上由于相位噪声的存在，其谱线是比较宽的一个包络，这个包络越窄，说明相位噪声(抖动)越小，信号越接近理想信号。简单讲，抖动（jitter）是某一事件的时程与理想时程的时间偏差，单位以fs（微微秒、飞秒，即10-15秒），或者ps（皮秒，1ps=1000fs=10-12秒）表示。

如果用仪器测量，呈现出的是信号的频域特性，称作“相位噪声（Phase Noise）”。本质上，这两者是一样的，只是表述方式不同而已。

抖动

抖动分确定性抖动（Deterministic jitter，DJ）和随机性抖动（Random jitter，RJ）两种。DJ通常幅度有限，以单位时间表示；RJ为高斯分布，以RMS均方根值表示，RMS Jitter值大小与振荡输出频率成反比。

晶振的抖动通常由噪声引起，并导致频率不稳定。对于精密电子仪器、无线电定位、高速目标跟踪和宇航通信等应用领域，选择低噪声晶振十分重要。

相位噪声

相位噪声（Phase Noise）是抖动在测量仪器上的表现，通常定义为一个振荡器在某一偏移频率fm处1Hz宽带内的单边信号功率和信号总功率比值，单位是dBc/Hz，通常表示为dBc/Hz@fm。

若没有相位噪声，振荡器的整个功率都集中在f0（10MHz为例），功率频谱就是一条以f0为中心的直线，且信号为纯正的正弦波。但是任何信号都有不稳定性，从而产生了边带sideband。

相位噪声的来源主要有三方面：

1.晶体品质Q值。高频晶体有很高的近载波相位噪声（Close-in Phase Noise），因为他们有低的Q值和更宽的边带

2.晶体外围电路：包括包括IC、RC元件、引脚等

3.信号输出（白噪声）

高速系统对晶振相位噪声的要求

在通信网络、无线传输、ATM和SONET等高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。不仅如此，它还会导致通信链路的误码率增大，甚至限制A/D转换器的动态范围。有资料表明，在3GHz以上的系统中，时间抖动会导致码间干扰，造成传输误码率上升，这就要求晶振选型必须满足严格的抖动指标。

如果需要设备即开即用，就必须选用VCXO或温补晶振;如果要求稳定度在0.5ppm以上，则需选择数字温补晶振。模拟温补晶振适用于稳定度要求在5ppm～0.5ppm之间的需求。VCXO只适合于稳定度要求在5ppm以下的产品。在不需要即开即用的环境下，如果需要信号稳定度超过0.1ppm的，可选用OCXO。

一般来说，晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。例如，对于需要低噪声、稳定和精确时钟源的工业级设备（比如收发器模块或数据中心），可选择150fs小型塑封石英PLL振荡器；而通讯、导航、雷达应用领域的要求会有更高如50fs，这需要将100MHz以上基波起振的高频石英晶体单元与噪音特性优越的振荡IC相组合。

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