相位噪聲和抖動的定義 高速系統對晶振相位噪聲的要求

晶振是個大家族，除了簡單封裝時鐘振蕩器(SPXO) 外，更有壓控晶體振蕩器（VCXO）、溫補晶體振蕩器（TCXO）、恒溫晶體振蕩器（OCXO），以及數字補償晶體振蕩器（MCXO或DTCXO），每種類型都有獨特的性能，例如相位噪聲和抖動(jitter)這兩個指標。

什么是相位噪聲和抖動？

簡單講，抖動(jitter)是某一事件的時程與理想時程的時間偏差，單位以fs（微微秒、飛秒，即10-15秒），或者ps（皮秒，1ps = 1000fs = 10-12秒）表示。

如果用儀器測量，呈現出的是信號的頻域特性，稱作“相位噪聲（Phase Noise）”。本質上，這兩者是一樣的，只是表述方式不同而已。

（1）抖動

抖動分確定性抖動（Deterministic jitter，DJ）和隨機性抖動（Random jitter，RJ）兩種。DJ通常幅度有限，以單位時間表示；RJ為高斯分布，以RMS均方根值表示，RMS Jitter值大小與振蕩輸出頻率成反比。

晶振的抖動通常由噪聲引起，并導致頻率不穩定。對于精密電子儀器、無線電定位、高速目標跟蹤和宇航通信等應用領域，選擇低噪聲晶振十分重要。

（2）相位噪聲

相位噪聲（Phase Noise）是抖動在測量儀器上的表現，通常定義為一個振蕩器在某一偏移頻率fm處1Hz寬帶內的單邊信號功率和信號總功率比值，單位是dBc/Hz，通常表示為dBc/Hz@fm。

若沒有相位噪聲，振蕩器的整個功率都集中在f0（10MHz為例），功率頻譜就是一條以f0為中心的直線，且信號為純正的正弦波。但是任何信號都有不穩定性，從而產生了邊帶sideband。

相位噪聲的來源主要有三方面：
（1）晶體品質Q值。高頻晶體有很高的近載波相位噪聲（Close-in Phase Noise）, 因為他們有低的Q值和更寬的邊帶。
（2）晶體外圍電路：包括包括IC、RC元件、引腳等。
（3）信號輸出(白噪聲)。

高速系統對晶振相位噪聲的要求

如果需要設備即開即用，就必須選用VCXO或溫補晶振；如果要求穩定度在0.5ppm以上，則需選擇數字溫補晶振（MCXO）。模擬溫補晶振適用于穩定度要求在5ppm～0.5ppm之間的需求。VCXO只適合于穩定度要求在5ppm以下的產品。在不需要即開即用的環境下，如果需要信號穩定度超過0.1ppm的，可選用OCXO。

一般來說，晶體振蕩器的相位噪聲在遠離中心頻率的頻率下有所改善。TCXO和OCXO振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能。采用鎖相環合成器產生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環技術的振蕩器一般呈現較差的相位噪聲性能。例如，對于需要低噪聲、穩定和精確時鐘源的工業級設備（比如收發器模塊或數據中心），可選擇150fs小型塑封石英PLL振蕩器；而通訊、導航、雷達應用領域的要求會有更高如50fs，這需要將100MHz以上基波起振的高頻石英晶體單元與噪音特性優越的振蕩IC相組合。


審核編輯：湯梓紅