相噪與時鐘抖動測試方法

一、前言

相噪是衡量頻譜純度的一個重要指標(biāo)，表征的是頻率的短期穩(wěn)定度。單邊帶相位噪聲L(f)來源于相位的波動，單位為 dBc/Hz，傳統(tǒng)上定義為特定頻偏處1 Hz帶寬內(nèi)的單邊帶(SSB)功率與載波功率之比，后在IEEE新版本中L(f) 定義更新為隨機相位波動φ(t) 單邊帶功率譜密度Sφ(f) 的一半。

在移動通信系統(tǒng)中，高階QAM調(diào)制是提升數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段之一，蜂窩5GNR R17標(biāo)準(zhǔn)已支持下行1024 QAM調(diào)制，另外最新的短距標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11be(即Wi-Fi 7)更是達到了4096 QAM，高階調(diào)制對信號矢量調(diào)制誤差(EVM)指標(biāo)提出了更高的要求。如下圖1所示，相位噪聲會影響信號的矢量調(diào)制誤差(EVM)并進而惡化誤碼率(BER)，對邊緣星座點影響尤甚。在雷達系統(tǒng)中，緩慢移動的目標(biāo)因多普勒頻偏小導(dǎo)致其很靠近載頻，很容易被淹沒在相噪內(nèi)，導(dǎo)致雷達系統(tǒng)無法識別該目標(biāo)。

▲ 圖1 相噪與EVM的關(guān)系

在高速有線數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于像5G NR、芯片D2D、高性能服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等技術(shù)的推動，基本上每隔3至5年，有線傳輸速率就會翻番，同時對參考時鐘的抖動指標(biāo)提出了更高的要求。但是示波器由于噪聲和測量方法的限制，很難對亞 ps 級的抖動進行精確測量。如PCIe Gen 5標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求是0.15 ps，這就需要借助于相位噪聲的測量方法。

▲ 圖2 PCIe規(guī)范的參考時鐘抖動要求

二、 相噪與時鐘抖動測試方法

相噪測量目前有多種方法，根據(jù)相位信息提取電路進行分類，可分為直接頻譜分析法、鑒相法、鑒頻法、直接數(shù)字解調(diào)法等，如下圖所示。

▲ 圖3 相噪測量技術(shù)分類

2.1 直接頻譜分析法

直接頻譜儀法基于頻譜測量結(jié)果進行相噪計算，優(yōu)勢在于測試設(shè)置簡單、頻率偏移范圍大，除相噪外還可測試雜散、鄰信道功率泄漏(ACLR)、高次諧波和信號解調(diào)等。但該測量方法也受限于無法區(qū)分調(diào)幅(AM)噪聲和相位噪聲，無載波抑制動態(tài)范圍有限，頻譜儀固有相噪，以及1 Hz RBW帶來最小頻偏1 Hz限制等。

2.2 鑒相法

鑒相器法是采用被測振蕩器與同頻的參考信號源進行鑒相，鑒相器輸出信號經(jīng)低通濾波器和低噪聲放大器后輸入到頻譜儀或接收機中。鑒相器法測試相位噪聲優(yōu)點是鑒相后信號的載波被抑制，因此可以大大提高相位噪聲的測試靈敏度。另外，可以采用低噪聲放大器對鑒相后的信號進行放大，從而可以降低測量接收機的噪聲系數(shù)，進一步提高其測試靈敏度。同時，對于信號中同時存在的AM噪聲和相位噪聲，可以通過調(diào)整兩路信號的相位差，使鑒相器可以分辨AM噪聲和相位噪聲。如果兩路鑒相信號相位相差90°，則鑒相后輸出對AM噪聲的抑制可以高達40 dB，當(dāng)兩路鑒相信號相位相差 0°時，則輸出結(jié)果僅有AM噪聲。

對于該測試方法也有相應(yīng)的局限性，像鑒相器法的測量頻偏范圍較窄，頻偏通常最大100 MHz，需要做環(huán)路帶寬校正，以及無法同時測量相位噪聲和幅度噪聲等。

2.3 延遲線鑒頻法

延遲線法是把被測信號分成兩路，一路信號經(jīng)過延遲線后與另一路經(jīng)過一個移相器移相后的信號進行鑒相，然后再濾波放大分析。延遲線的作用是將頻率的變化轉(zhuǎn)化為相位的變化，當(dāng)頻率變化時，將在延遲線中引起相位正比例的變化。雙平衡混頻器將相位變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。

該測試方法具有載波抑制、調(diào)幅噪聲測試功能，測試時不需要額外的參考源，不需要信號同步，頻率漂移不再是問題。但是該測試方法最大頻偏范圍受限，高頻時損耗較大，使得測試靈敏度較低，而且測試時需要校準(zhǔn)，操作較為復(fù)雜。

2.4 直接數(shù)字解調(diào)法

目前最新的相位噪聲測試的方法為直接數(shù)字解調(diào)法，該測試方法可以直接進行I/Q解調(diào)測量, 轉(zhuǎn)換為Sf(f), 再計算L(f)。直接數(shù)字解調(diào)法無鑒相器和鎖相環(huán)，所以不需要進行環(huán)路帶寬修正，可以簡化校準(zhǔn)過程。該測試方法不僅可以測量CW相位噪聲，在測相噪同時測量幅度噪聲，同時該測試方法具有極低的參考源相位噪聲、高速互相關(guān)硬件，可以顯著提高測試的靈敏度。并且可以在大信號存在時測量小電平信號的相位噪聲。目前R&S相噪分析儀FSPN和FSWP采用的就是該技術(shù)。

▲ 圖4 直接數(shù)字解調(diào)法相噪分析原理

三、 相噪與時鐘抖動測試應(yīng)用

3.1 頻綜和鎖相環(huán)測試

高性能鎖相環(huán)和頻綜測試不僅需要像R&S FSPN這樣具備-163 dBc/Hz(1 GHz頻率, 10 kHz頻偏，一次互相關(guān))優(yōu)異相噪能力的相噪分析儀，還需要給被測的頻綜模塊提供非常干凈的時鐘作為參考。高性能模擬源R&S SMA100B具備-152 dBc/Hz(1 GHz頻率, 10 kHz頻偏)的相噪水平和優(yōu)異的時鐘抖動指標(biāo)，除了具備最高頻率達67 GHz的射頻輸出能力外，同時可具備第二路6 GHz差分時鐘輸出口，是高性能頻綜鎖相環(huán)時鐘參考的最佳選擇。

為了評估頻綜的系統(tǒng)裕量指標(biāo)，還需要信號源可提供自定義相噪曲線的信號源，R&S SMW200A矢量信號源自身具備-150 dBc/Hz(1 GHz頻率, 10 kHz頻偏)的優(yōu)異相噪，在增加SMW-K810選件后可提供5個頻率偏移點的相噪編輯能力，用于幫助驗證頻綜的系統(tǒng)裕量。

▲ 圖5 高性能頻綜測試框圖

抖動傳遞函數(shù)(JTF)和3 dB環(huán)路帶寬是衡量鎖相環(huán)的重要指標(biāo)之一，通常鎖相環(huán)內(nèi)部具有抖動衰減模塊用于抖動優(yōu)化，借助于模擬源R&S SMA100B的模擬調(diào)制選件(K720)的相位調(diào)制特性來模擬抖動的時鐘參考，同時羅德與施瓦茨提供軟件控制R&S SMA100B和FSPN，執(zhí)行校準(zhǔn)和測量兩步操作，自動完成抖動傳遞函數(shù)(JTF)和環(huán)路帶寬指標(biāo)測試。

▲ 圖6 抖動傳遞函數(shù)JTF測試

3.2 PCIe 5.0/6.0高速接口測試

如圖7所示，PCIe 4.0/5.0/6.0高速接口規(guī)范對時鐘抖動要求越來越高，只能通過專用相噪分析儀完成。羅德與施瓦茨為PCIe最新規(guī)范測試提供了自動化測試軟件，可實現(xiàn)自動控制相噪分析儀R&S FSPN，依據(jù)協(xié)議模板完成參考時鐘指標(biāo)測試。由于頻率參考是電路板的一個主要 EMI 來源，一般都有擴頻時鐘(SSC)要求，而通常的相噪儀無法支持擴頻時鐘測試，R&S FSPN/FSWP采用了直接數(shù)字解調(diào)相噪測試法，可以更好地支持非擴頻時鐘(SSC)和擴頻時鐘(SSC)兩種測試要求。

▲ 圖7 PCIe參考時鐘一致性測試自動化軟件

除了參考時鐘測試，R&S FSPN也可以支持PCIe系統(tǒng)級TX隨機抖動(RJ)指標(biāo)要求，只需要把數(shù)據(jù)固定為0101…數(shù)據(jù)。由于PCIe 5.0/6.0中SERDES PLL頻率為16 GHz，此時PCIe的TX數(shù)據(jù)就是固定的16 GHz頻率的時鐘信號，R&S FSPN單機頻率可達26.5 GHz，非常方便地完成PCIe 16 GHz的時鐘抖動測試。

▲ 圖8 PCIe TX隨機抖動測試框圖

四、 總結(jié)

新一代無線通信技術(shù)引入更高頻率和高階調(diào)制，對收發(fā)信機的相噪指標(biāo)要求更加苛刻，另一方面，高性能服務(wù)器和400/800G數(shù)據(jù)中心帶動了SERDES 112/224G和PCIe 5.0/6.0新接口標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)，時鐘抖動指標(biāo)進一步提升，需要有足夠指標(biāo)裕量的相噪分析儀滿足0.1 ps甚至更高的測試要求。相噪分析儀R&S FSPN采用了直接數(shù)字解調(diào)技術(shù)，相噪和抖動指標(biāo)優(yōu)異，測試速度快， 滿足下一代無線通信、有線高速接口、以及雷達的相噪和抖動測試要求。

關(guān)于羅德與施瓦茨

羅德與施瓦茨是測試與測量、系統(tǒng)與方案、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商。公司成立已超過85年，總部設(shè)在德國慕尼黑，在全球70多個國家設(shè)有子公司。作為一家獨立的科技集團，羅德與施瓦茨創(chuàng)新性的產(chǎn)品和解決方案為全球工業(yè)及政府客戶提供了一個更安全與互聯(lián)的世界。截至2021年6月30日，羅德與施瓦茨公司在全球擁有約13000名員工。

原文標(biāo)題：800G與PCIe 5.0已至，相噪與抖動迎來新指標(biāo)

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審核編輯：湯梓紅