相位噪声的时域测量方法

图1 正弦信号的频谱（无相位变化以及有相位变化的可能情形）

为了更为精确的描述相位噪声，通常定义其为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。如一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值，即在fm频率处1Hz范围内的面积与整个噪声频下的所有面积之比，如下图2所示。

图2 相位噪声的基本定义

二、TIE抖动的基本概念及其与相位噪声的关系

TIE(Time Interval Error)，时间间隔误差，是指信号的实际边沿与其理想边沿之间的偏差，理想边沿可以为固定频率信号的边沿位置，如100MHZ的信号，那么上升边沿位置就固定在10ns的整数倍位置处；也可以通过CDR（时钟数据恢复）的方法恢复出的时钟作为理想时钟。如下图3所示，实际时钟信号的每一个实际边沿位置与理想时钟的边沿位置都会做一个比较，它们之间的差值就叫做TIE抖动。

图3 TIE抖动参数的测量方法

三、基于示波器的相位噪声测量方法

根据上文的分析，相位噪声是指信号相位的随机性波动的功率谱密度，在频域里相位噪声通常被表达为dBc/Hz。如果信号的相位噪声值非常小，那么则需要使用具有高动态范围的频域仪器进行测量，才能得到较好的结果。如果信号的相位噪声在-70dBc(或者结合平均方法为-80dBc)以上，则可以选择使用示波器进行测试。目前测量相位噪声主要有三种仪器，一是频谱仪，二是示波器，三是专用的相位噪声分析仪。频谱仪中通常具有相位噪声的测试项，可以从信号频谱上测量出相位噪声的值并进行适当的修正即可，测试原理即为测试某一指定偏移频率处的功率电平（1Hz带宽内）与载波总功率电平的比值；使用示波器进行相位噪声的测量则是在时域里先测试出抖动，然后再将抖动值按照上述提到的相位噪声与抖动的转换关系转换得到；由于示波器和频谱仪的动态范围有限，因此对于很小的相位噪声很难测试得非常准确。因此如果需要准确的测试比较小的相位噪声时，则可以选用专门测试相位噪声的相位噪声测试仪。

下面为使用力科示波器对相位噪声的测量方法及步骤：

Step1：在示波器的“Timebase”按钮中选择“Fixed Sample Rate”,并设置一个合理的采样率以确保在信号边沿上采集到足够多的样本点，如图4所示。

图4 使用力科示波器测量相位噪声步骤1

图5使用力科示波器测量相位噪声步骤2

Step2：设置示波器的最小采集窗口时间至少为1ms，这将在FFT频谱中提供1KHz的频率分辨率。时间窗口越长，FFT频谱的频率分辨率越高（比如说5ms的采集时间窗口将得到200Hz的FFT频谱分辨率），如图5所示。

Step3：如下图所示，对于204.8MHz的时钟信号，为了获得一个很大的捕获时间窗口，我们采集了100M的采样点数，获得5ms的捕获时间窗口，如图6所示。

图6使用力科示波器测量相位噪声步骤3

图7使用力科示波器测量相位噪声步骤4

Step4：测量时钟波形的TIE抖动。设置输入源为时钟，如图7所示。

Step5：在TIE参数设置栏里的VClock中选择“Find Frequency”，如图8所示。

图8使用力科示波器测量相位噪声步骤5

图9使用力科示波器测量相位噪声步骤6

Step6:对TIE测量参数进行“Track”函数分析，如图9所示。

Step7：关掉 PLL并适当微调“Customer Frequency”以获得“Track”函数曲线的最大平坦度，如图10所示。

图10使用力科示波器测量相位噪声步骤7

图11使用力科示波器测量相位噪声步骤8

Step8：对Track曲线进行FFT分析，如图11所示。

Step9：选择FFT参数设置中的“Magnitude”、“VonHann”、“LeastPrime”，并去掉“Suppress DC”选择，如图12所示。

图12使用力科示波器测量相位噪声步骤9

图13使用力科示波器测量相位噪声步骤10

Step10：对抖动的FFT进行Log10运算，如图13所示。

Step11：在“Rescale”运算设置中，选择乘以“20”，然后通过下述公式决定需要增加的常数：20log10（pi*carrier frequency）。在本例中，20log10（643398175）=176，在“Rescale”运算设置中输入该常数值，如图14所示。

图14使用力科示波器测量相位噪声步骤11

图15使用力科示波器测量相位噪声步骤12

Step12：使用一个光标放置在相应的相位噪声偏移频率（比如10khz）位置并直接从F4曲线中读出cursor对应的以DBC为单位的相位噪声值。如本例中的10khz的相位噪声为-109.63dBc，如图15所示。

四、小结

本文简要介绍了相位噪声及其TIE抖动的概念及其相互转换关系，并重点介绍了基于力科示波器是如何测量出TIE抖动并将抖动参数转换为相位噪声的。

五、参考文档

1、Phase Noise and Jitter Requirements for Serial IO Applications,SI time Application Notes

2、Lecroy Step by Step references：How to measure phase noise,Mike Hertz,Lecroy