近年來隨著科技的發(fā)展，差分振蕩器的應用產(chǎn)品范圍不斷加大，使用次數(shù)也在增加，但關于差分頻率源的中的噪聲信號及抖動相位，仍只有少部分人知道了解。Rubyquartz晶振公司是來自美國的頻率元件制造商，同時也是差分振蕩器開發(fā)者與供應商，研發(fā)出多款LVDS與LV-PECL輸出的差分晶振，在海內(nèi)外廣受歡迎。以下是Rubyquartz公司提供的關于差分晶體振蕩器的頻率源定義和解釋，詳細的說明了其中的信號噪聲和抖動周期。

定義

“抖動包括來自其數(shù)字信號的重要瞬間的短期變化理想的時間位置。“（ITU-T）數(shù)字數(shù)據(jù)流中的上升沿和下降沿絕不會出現(xiàn)在精確的期望時刻。定義并測量這些邊緣的精確計時并影響其性能同步通信系統(tǒng)。

給定信號的邊緣位移是具有光譜和功率的結(jié)果噪聲由于不均勻，這些邊緣可能隨時間隨機變化頻域噪聲。（因此;由10KHz偏移的噪聲引起的抖動可能是大于或小于100KHz偏移時的噪聲）。時鐘抖動的頻譜內(nèi)容可以根據(jù)評估的不同測量技術(shù)或帶寬而有很大差異。

抖動引起的系統(tǒng)中斷

網(wǎng)絡設備晶振中的時鐘恢復機制用于對數(shù)字信號進行采樣使用恢復的位時鐘。如果數(shù)字信號和時鐘具有相同的抖動，則恒定抖動誤差不會影響采樣瞬間，因此不會出現(xiàn)誤碼。（這種情況將適用于恢復時鐘機制可以的低頻抖動遵循數(shù)字信號相位變化;在更高頻率的抖動變化，>0.5UI，將導致不準確的采樣和丟失有價值的數(shù)據(jù)。

測量抖動

有三種類型的儀器用于測量抖動：1）BER（誤碼率），2）抖動分析儀和3）示波器。用于測量抖動的儀器類型決于應用，電氣/光學，數(shù)據(jù)通信或電信，以及比特率（見圖下面）?？赡苄枰旌鲜褂眠@些儀器來準確追蹤問題與抖動有關。最常見的方法是從BER測試儀開始。進一步孤立問題是，使用抖動分析儀或示波器進行額外的測試。此外量化抖動，測量應協(xié)助設計人員調(diào)查根本原因和有效消除抖動的問題來源。

在進行抖動測量之前，我們必須首先了解抖動的類型及其來源。抖動分為兩大類：確定性抖動（Dj）和隨機抖動（Rj）。此外，Dj分為周期性抖動（Pj）和數(shù)據(jù)相關抖動（DDj）由占空比失真（DCD）和符號間干擾（ISI）組成。該所有單個抖動分量的積分導致總抖動（Tj）。這包括所有確定性和隨機成分的貢獻（見下圖）。

確定性抖動（Dj）具有特定原因，并且是可預測且一致的。它有一個非高斯振幅分布，總是有界的，可以表征它的峰-峰值。它來自系統(tǒng)源，如串擾，符號間干擾-ISI-（反射）和電源饋通（EMI）。

周期性抖動是由交叉耦合或EMI（交流電源線，RF信號）引起的周期性抖動來自開關電源的信號源等。后者被稱為不相關的周期性耦合到數(shù)據(jù)或系統(tǒng)時鐘信號的抖動。相關的周期性抖動是來自相同頻率的時鐘的相鄰數(shù)據(jù)信號的耦合。它由a指定頻率和幅度作為峰值到峰值測量。

Pj可以使用示波器量化。在時鐘的上升沿激活在顯示屏上移動，直到顯示另一個時鐘上升沿。Pj是樂隊范圍上顯示的上升邊緣。

周期性抖動

數(shù)據(jù)相關抖動（DDj）分為占空比失真（DCD）和符號間干擾（ISI）。DCD是傳播延遲在高到低和低到高之間的偏差。其他與單詞相比，它是正脈沖與正脈沖的偏差時鐘狀比特序列中的負脈沖。幅度偏移誤差，開啟延遲和飽和度可能是DCD的一些原因。

ISI有時被稱為數(shù)據(jù)相關抖動。這通常是帶寬的結(jié)果發(fā)射機或物理媒體的限制;因此，創(chuàng)建不同的數(shù)據(jù)幅度由于信號的上升和下降時間有限而導致的比特。它發(fā)生在頻率成分時數(shù)據(jù)（符號）由傳輸介質(zhì)以不同的速率傳播。隨機抖動（Rj）被認為是無界的，可以用高斯描述概率分布。它影響其標準的長期設備穩(wěn)定性偏差（rms）值。它是由物理來源產(chǎn)生的，如：熱噪聲，白噪聲和光學介質(zhì)中的散射。

確定石英晶體振蕩器抖動的常見來源

電磁接口（EMI）由傳導的輻射發(fā)射產(chǎn)生不希望的結(jié)果從本地設備或系統(tǒng)輻射。常見的來源是開關型電源它輻射強大的高頻磁場和大電場電噪聲進入系統(tǒng)缺乏足夠的屏蔽和輸出濾波。EMI改變了耦合或感應導體中的噪聲電流的電信號的偏置。

串擾是由磁場和/或電場與相鄰的偶然耦合引起的導體攜帶信號。將不需要的信號分量添加到原始信號中信號改變其偏置由干擾信號的量確定。

反射是由阻抗引起的信號干擾引起的通道中存在不匹配。庫珀技術(shù)中的最佳信號功率傳輸當介質(zhì)在發(fā)射中具有相同的特征阻抗時發(fā)生接收端。如果阻抗，則一部分能量被反射回發(fā)射器來自不受控制的存根和不正確的接收器存在不匹配終端。同樣，如果不匹配在傳輸端，則它會攝取部分反射能量，接收器反映剩余部分。最終，接收器得到延遲信號與原始信號異相，代數(shù)上加上第一個到達信號。

隨機抖動的常見來源

射擊噪聲也稱為寬帶“白噪聲”，是由電子的運動產(chǎn)生的半導體中的空穴，其振幅是平均電流的函數(shù)由平均值波動產(chǎn)生的。在半導體中，它將取決于電子和空穴密度的隨機性。它是信號通道中Rj的貢獻者。閃爍噪聲也稱為粉紅噪聲，與頻率的倒數(shù)成比例，1/f。它只是低頻測量中的關注點。它通常出現(xiàn)在電阻器，二極管中，開關和晶體管等。通常，必須進行測量憑經(jīng)驗。熱噪聲是由電子內(nèi)部自由移動的熱攪動產(chǎn)生的噪聲指揮。

BER測試儀，差分晶體振蕩器抖動分析儀（也稱為時間間隔分析儀-TIA），示波器BERT允許工程師獲得被測設備的準確測量誤碼率。它們旨在對數(shù)據(jù)流中接收的每個比特進行采樣，并將其與之進行比較預定的偽隨機比特序列（PRBS）模式。在大多數(shù)情況下抖動分析儀或示波器無法達到這樣的準確度。

抖動分析儀（TIA）測量從參考時鐘到信號邊沿的間隔，在門檻之間;使用直方圖并收集大量數(shù)據(jù)點。高速數(shù)據(jù)通信總線中的設備，如光纖通道，串行ATA，Infini頻段和每個通道的速率高達3.125Gbits/s的快速IO受益于使用TIA測試。TIA是在生產(chǎn)線測試中發(fā)現(xiàn)的，因為它們可以預測一些BER秒。

示波器使用外部觸發(fā)事件和采樣時鐘來構(gòu)建眼圖隨時間采樣重復信號。信號的閾值穿越時間由a形成直方圖允許測量抖動。抖動概率密度的近似值函數(shù)（PDF）是從直方圖中導出的，可以檢查直方圖來表征抖動。

實時采樣示波器可用于測試子系統(tǒng)，電纜，設備或系統(tǒng)以高速通信（即3.125Gbits/s，當前最高可能通過銅傳輸數(shù)據(jù)的速度）。這些類型的示波器可測量任何時鐘的抖動信號，不僅僅是通信中使用的信號。

要在當今世界中以高比特率測量抖動，采樣示波器是最好的由于其高帶寬采樣而選擇。它們需要重復的PRBS信號由于它們的低采樣率（150ksamples/s或更低）來生成眼圖構(gòu)建抖動圖。

示波器

相位噪聲

相位噪聲是晶振信號周圍的噪聲頻譜的頻域視圖。它是由時域引起的波的相位的快速，短期，隨機波動不穩(wěn)定性。

正弦波可以表示為：

V（t）=Vpsin（2πf0t）

哪里：

Vp是峰值幅度

f0是標稱頻率

是時候了

圖7中的正弦波形具有Vp=2.5V，標稱頻率為1MHz;導致V（t）=2.5sin（2π1x106T）

圖8顯示了與上述相同的正弦信號，并增加了相位噪聲，φ（t）=2πsin（1.5πf0t）/15是噪聲的主要來源。對數(shù)字和電信而言應用最受關注的一個。

相位噪聲φ（t）可以定義為對時序變化的測量信號。盡管如此，結(jié)果顯示在頻域L（f）。結(jié)果，在圖9是不需要的頻率下的噪聲功率與總響應之間的關系功率，分布在1Hz帶寬內(nèi)。振蕩器的完整功率將是如果相位噪聲等于零，則以f=fo為中心。請記住，相位噪聲會擴散一些LVDS晶振的功率對相鄰頻率的影響導致邊帶。

圖9-振蕩器功率譜

相位噪聲在特定偏移處以dBc/Hz定義。相對于載波的dB水平是以dBc給出。在任何給定的偏移處，振蕩器的相位噪聲可以從比率得出載波在偏移頻率下的1Hz帶寬內(nèi)的總功率。在圖9，功率譜曲線的總面積與矩形區(qū)域的比率在偏移fm處具有1Hz帶寬（大致是光譜高度的差異）center和atfm）是相位噪聲的表示。振蕩器的功率譜具有嘈雜的相位角是曲線的實際光譜。

圖10-相位波動譜密度

LVDS輸出晶振的功率譜如圖9所示。噪聲相角項，稱為相位波動的譜密度，如圖10所示在圖10中，相位變化的譜密度的測量與相同對于偏移很遠，從圖9中的功率譜測量的相位噪聲（dBc/Hz）來自承運人。

在圖11中，使用恒溫晶體振蕩器（OCXO）作為參考時鐘與VCXO相反，輸出相對接近的理想正弦波。另一個是VCXO方（DUT）。允許在頻率上進行明確的比較，對控制進行微小的改變VCXO的電壓，OCXO和VCXO的頻率應非常接近。該混頻器的輸出計算兩個信號保持之間的小相位偏差。

粗略地說，振蕩器之間有90°的相移。φ（t）是信號的測量值經(jīng)過放大器和低通濾波器后從混頻器中出來。使用高分辨率頻譜分析儀，φ（t）的譜密度在頻域中顯示為Sφ（f）。

要繪制相位噪聲，請使用下面列出的公式對于φ<<1弧度，Sφ（f）=2L（f）為了繪制dBc/Hz，計算該等式的基數(shù)10對數(shù)輸出。對于各種通信應用，在頻率處指定相位噪聲以下僅針對這些頻率的噪聲，遠離，載波是關注的。來自載波L（f）的赫茲，單位為dBc/Hz

10               -40

100              -70

1000             -100

10000            -120

該規(guī)范如圖12所示。

應密切監(jiān)視噪聲基底的鎖相環(huán)（PLL）中的隨機抖動，VCO，石英振蕩器和其他時鐘信號。分析相位噪聲非常有用設計階段或檢查本底噪聲時的故障排除。對于這種類型分析，頻域相位測量系統(tǒng)至關重要。除了以外的技術(shù)光譜評估不提供對設計和系統(tǒng)特性的詳細了解。低水平檢查的局限性是分析200MHz以下的抖動分量低于幾個標準規(guī)定的總帶寬。因此，對于帶寬以上需要200MHz其他用于分析抖動的工具?？梢哉业綄芜厧В?/span>SSB）相位噪聲轉(zhuǎn)換為抖動的簡單工具。

相位抖動-相位噪聲積分

指定頻率范圍的總噪聲功率比形狀更重要曲線（如圖12所示），特別是在通信應用中。去完成這必須在頻域中檢查時域信號。之后，它是在時域中重新組合成除去不需要的均方根（rms）值頻率。φ（t）的均方根值，以dB，弧度，單位間隔或秒表示通過在指定帶寬上將L（f）改回Sφ（f）來獲得。噪音的一部分所討論的帶寬是相位抖動的一個標準偏差，相當于相位抖動以秒為單位的值。這由曲線下面積從500Hz到10KHz表示圖13。

整合的極限是：

最小頻率=500Hz

最大頻率=10KHz

積分下的總面積=2.63264E-09

φrms（弧度）=5.13093E-05

trms（s）=5.25085E-14

圖13-相位噪聲積分-帶寬500至10KHz

注意帶寬對φrms的相當大的影響。如果擴展帶寬10Hz至10KHz，如圖14所示，trms大約80倍。整合的極限是：

最低頻率=10Hz

最大頻率=10KHz

積分下的總面積=1.70512E-05

φrms（弧度）=0.004129311

trms（s）=4.22583E-12

圖14-與圖13相同的圖表-帶寬變?yōu)?/span>10到10KHz將相位噪聲轉(zhuǎn)換為抖動噪聲測量可用于提取抖動，因為兩者都表示相同的異常。

在以下示例中，振蕩器噪聲圖（圖H）從12KHz擴展到10MHz。功率譜密度函數(shù)（dBc）是由邊界噪聲傳播給出的L（f）圖。由于相位噪聲（調(diào)制）的相關水平由抖動反映，因此載波的功率水平并不重要。整合L（f）的結(jié)果指定帶寬，12KHz至10MHz，是邊帶的總噪聲功率。

帶。以下是使用12KHz和10MHz作為限制的L（f）的積分。

N=噪聲功率=∫L（f）df

噪聲功率引起的RMS抖動可以使用以下等式計算：

RMS相位抖動（弧度）=SQR（10N/10*2）

結(jié)果可以用單位間隔（UI）或時間表示。劃分上述結(jié)果以弧度表示的載波頻率的等式返回一個時間值（秒）。

RMSJitter（秒）=抖動（弧度）/（2*π*fosc）

例如，可以使用。計算312.5-MHz振蕩器的RMS抖動值圖15中繪制了噪聲功率值。將12kHz至20MHz間隔的相位噪聲曲線積分得到-63dBc的數(shù)字：

N=噪聲功率=∫L（f）df=-63dBc

因此，以弧度表示的RMS相位抖動值為：

RMS相位抖動（弧度）=SQR（10N/10*2）=1415e-6弧度

這個以弧度為單位的抖動值可以以皮秒為單位轉(zhuǎn)換為RMS抖動：

RMSJitter=1415e-6/（2*π*106）=0.72ps（rms）

目前有許多OCXO晶振，VCXO振蕩器，MEMS晶振等系列，都匹配了LVDS或LV-PECL這兩種輸出，除了本身自帶的功能和性能之外，還可以輸出差分信號。這種晶振一般都是應用在極其高端的產(chǎn)品身上，穩(wěn)定性和可靠性高，應用在任何產(chǎn)品身上，可以發(fā)揮也優(yōu)越的效果。