使用實(shí)時(shí)采樣示波器測(cè)量相位噪聲——第二部分

時(shí)間：2018-09-10 15:40:14

關(guān)鍵字：相位噪聲示波器實(shí)時(shí)采樣

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[導(dǎo)讀] 在前面的文章中我們討論了如何使用兩種不同的技術(shù)進(jìn)行相位解調(diào)，從而從實(shí)時(shí)示波器采集的波形中提取相位噪聲信息。本文我們將繼續(xù)討論串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)的精度，何種類型的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行分析以及提高測(cè)

在前面的文章中我們討論了如何使用兩種不同的技術(shù)進(jìn)行相位解調(diào)，從而從實(shí)時(shí)示波器采集的波形中提取相位噪聲信息。本文我們將繼續(xù)討論串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)的精度，何種類型的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行分析以及提高測(cè)量水平的方法。

為了檢測(cè)示波器相位噪聲測(cè)量的精度，我們使用了內(nèi)置寬帶隨機(jī)相位調(diào)制源的純凈信號(hào)源。通過在較寬的頻帶上引入相對(duì)較大的 PM(Phase Modulation的簡(jiǎn)稱，下略) 振幅，我們可以將測(cè)量值與是德科技 E5052B 等信號(hào)源分析儀的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證兩種設(shè)備測(cè)得的噪聲水平。

在下面的測(cè)量中（圖 1），SSA 的測(cè)量結(jié)果為藍(lán)色，示波器（是德科技 MSOS804A）的測(cè)量結(jié)果為綠色。在注入的 PM范圍內(nèi)兩者呈現(xiàn)了完美的一致性。高于 2 MHz 時(shí)，由于 SSA 的本底噪聲較低，因此兩條曲線有所分離。

圖 1

測(cè)量本底噪聲

實(shí)時(shí)采樣示波器進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量時(shí)的本底噪聲受垂直（電壓）精度和定時(shí)精度的影響。采樣系統(tǒng)的垂直噪聲、時(shí)間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性、示波器自身的振蕩器的相位噪聲和示波器交織采樣體系結(jié)構(gòu)的缺陷都會(huì)給抖動(dòng)測(cè)量造成誤差，進(jìn)而影響相位噪聲測(cè)量。

示波器抖動(dòng)測(cè)量本底技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

TIE= 噪聲邊沿轉(zhuǎn)換速率2+固有抖動(dòng)2 [秒峰值]

固有抖動(dòng)部分由內(nèi)部參考時(shí)基的穩(wěn)定性決定。對(duì)最高性能的示波器而言，例如 63 GHz 的是德科技 Z 系列產(chǎn)品，該值可能低至 50 fs，但必須注意該值只在相當(dāng)短的采樣時(shí)間內(nèi)有效。測(cè)量相近的相位噪聲時(shí)我們需要延長(zhǎng)采樣時(shí)間，此時(shí)示波器的固有抖動(dòng)會(huì)增加，因?yàn)槭静ㄆ鞅旧硪灿邢辔辉肼暋?/div>

本底噪聲和信號(hào)轉(zhuǎn)換速率

大部分情況下式中第一項(xiàng)決定了抖動(dòng)測(cè)量的本底噪聲。信號(hào)和示波器垂直噪聲與信號(hào)的有限轉(zhuǎn)換速率一起使得邊沿出現(xiàn)明顯的水平位移，即抖動(dòng)。因此選擇垂直噪聲帶寬密度盡可能低的示波器至關(guān)重要。如果示波器可以限制任意頻率的帶寬，那么也可以改善抖動(dòng)測(cè)量的本底噪聲。由于相位噪聲信息包括在帶寬2*fc 中，我們可以在很多情況下大幅降低測(cè)量噪聲。

下圖（圖 2）是使用是德科技 8GHz S 系列示波器進(jìn)行相位噪聲測(cè)量的實(shí)例。信號(hào)源為 100 MHz 正弦波，由 E8267D 超低相位噪聲信號(hào)發(fā)生器提供。E8267D 的真實(shí)相位噪聲（由 SSA 或其他合適的低相位噪聲儀器確定）遠(yuǎn)低于示波器的測(cè)量范圍，因此我們可以得到示波器的本底噪聲。

針對(duì)每次測(cè)量，示波器的帶寬進(jìn)行了如下調(diào)整：

藍(lán)色 = 8GHz，綠色 = 4GHz，紅色 = 1GHz，藍(lán)綠色 = 200MHz。

圖 2

1-10MHz 頻帶的相位本底噪聲從約 -124dBc/Hz 降至 -140dBc/Hz，在帶寬限制從 8GHz 改變至 200MHz設(shè)置下。這一點(diǎn)可以得到解釋，因?yàn)槲覀儚?GHz 到200MHz降低了帶寬。如果示波器噪聲與帶寬呈線性關(guān)系，可以預(yù)計(jì)噪聲下降 10*log10(0.2/8) = -16dB。這一情形并不適用于所有頻點(diǎn)。低頻段時(shí)，示波器的內(nèi)部參考相位噪聲起主要作用。在較高的頻段下，我們可以看到，示波器在 200 MHz 時(shí)建立完美的磚墻式帶寬限制濾波器的能力存在局限。這意味著測(cè)量值中仍有頻率大于 200 MHz示波器噪聲。

限制示波器帶寬的好處高度取決于被測(cè)量信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率和信號(hào)頻率與示波器全帶寬的比值。

本底噪聲與示波器內(nèi)部 PLL/振蕩器

人們常常對(duì)低頻相位調(diào)制中的相位噪聲測(cè)量很感興趣。除了前一篇文章討論過的對(duì)快速響應(yīng)和深存儲(chǔ)的采集要求外，時(shí)間基準(zhǔn)特別穩(wěn)定，且配有設(shè)計(jì)精良的 PLL 電路對(duì)示波器而言也非常重要，，因?yàn)檫@在低頻測(cè)量時(shí)起主要作用。

從下面的測(cè)試（圖 3）中可以看出，采用舊技術(shù)的示波器（綠色）在近載波時(shí)的相位噪聲高于采用新技術(shù)的示波器（藍(lán)色）。

圖 3

為示波器使用外部參考時(shí)鐘，也有可能改善近載波相位噪聲，因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘比內(nèi)部振蕩器更純凈。下圖（圖 4）為是德科技 V 系列產(chǎn)品使用內(nèi)部振蕩器（藍(lán)色）和 Wenzel 10MHz 參考時(shí)鐘（紅色）時(shí)的測(cè)量對(duì)比。

圖 4

本底噪聲和采樣率

前面已經(jīng)提到，示波器的采樣率應(yīng)保持較高，以精確地確定邊沿。如果能夠降低采樣率自然很好，因?yàn)檫@樣我們可以使用更少的采樣點(diǎn)，從而可以加快測(cè)量速度，提高平均化效果或獲得更低的頻率偏移。但我們必須要小心，保證采樣率不會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生明顯影響。

下圖（圖 5）中我們可以看到，對(duì)同一個(gè) 100 MHz 純正弦波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，改變采樣率（帶寬始終為 200MHz）對(duì)相位噪聲測(cè)量的影響。

藍(lán)色 = 1GSa/s，綠色 = 5GSa/s，紅色 = 10GSa/s，藍(lán)綠色 = 20GSa/s。

圖 5

可以看到改變采樣率最終會(huì)影響相位噪聲測(cè)量的本底噪聲。在本例中，20GSa/s 和 10GSa/s 時(shí)沒有明顯區(qū)別，但采樣率更低時(shí)結(jié)果中的噪聲有所增加。影響的程度取決于信號(hào)邊沿的形狀和轉(zhuǎn)換率。

數(shù)據(jù)信號(hào)的相位噪聲

示波器采用時(shí)鐘恢復(fù)算法提取 TIE 信息，這種方法的優(yōu)勢(shì)是能夠測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)的相位噪聲。下面（圖 6）是對(duì)高速碼型發(fā)生器進(jìn)行相位噪聲測(cè)量的實(shí)例。該測(cè)量中唯一的不同是所使用的碼型。藍(lán)色是偽隨機(jī)位序列，綠色是重復(fù)的 1-0 時(shí)鐘碼型。

圖 6

高頻率偏移時(shí)相位噪聲有所不同，這是由發(fā)生器本身特性決定的。

總結(jié)

總之，盡管實(shí)時(shí)采樣示波器并非相位噪聲測(cè)量的第一選擇，但根據(jù)測(cè)量要求的不同，仍可作為可接受的選項(xiàng)。對(duì)于近載波相位噪聲測(cè)量（一般小于 1kHz），專用的相位噪聲分析儀或頻譜分析儀可以帶來更快、更精確的測(cè)量。但測(cè)量相對(duì)低成本的振蕩器和 PLL 電路，或需要高帶寬時(shí)，配備純凈的時(shí)基和低噪聲前端的示波器也可以完成測(cè)量。此外，使用實(shí)時(shí)示波器還有一個(gè)好處，如果使用了串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)法，它還可以從串行信號(hào)中提取相位噪聲。