相噪與時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試方法

一、前言

相噪是衡量頻譜純度的一個(gè)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(lái)源于相位的波動(dòng)，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(jī)相位波動(dòng)φ(t) 單邊帶功率譜密度Sφ(f) 的一半。

在移動(dòng)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(dá)到了4096 QAM，高階調(diào)制對(duì)信號(hào)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(huì)影響信號(hào)的矢量調(diào)制誤差(EVM)并進(jìn)而惡化誤碼率(BER)，對(duì)邊緣星座點(diǎn)影響尤甚。在雷達(dá)系統(tǒng)中，緩慢移動(dòng)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(méi)在相噪內(nèi)，導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法識(shí)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(dòng)，基本上每隔3至5年，有線傳輸速率就會(huì)翻番，同時(shí)對(duì)參考時(shí)鐘的抖動(dòng)指標(biāo)提出了更高的要求。但是示波器由于噪聲和測(cè)量方法的限制，很難對(duì)亞 ps 級(jí)的抖動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)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(cè)量方法。

▲ 圖2 PCIe規(guī)范的參考時(shí)鐘抖動(dòng)要求

二、 相噪與時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試方法

相噪測(cè)量目前有多種方法，根據(jù)相位信息提取電路進(jìn)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(cè)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(cè)量結(jié)果進(jìn)行相噪計(jì)算，優(yōu)勢(shì)在于測(cè)試設(shè)置簡(jiǎn)單、頻率偏移范圍大，除相噪外還可測(cè)試雜散、鄰信道功率泄漏(ACLR)、高次諧波和信號(hào)解調(diào)等。但該測(cè)量方法也受限于無(wú)法區(qū)分調(diào)幅(AM)噪聲和相位噪聲，無(wú)載波抑制動(dòng)態(tài)范圍有限，頻譜儀固有相噪，以及1 Hz RBW帶來(lái)最小頻偏1 Hz限制等。

2.2 鑒相法

鑒相器法是采用被測(cè)振蕩器與同頻的參考信號(hào)源進(jìn)行鑒相，鑒相器輸出信號(hào)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(jī)中。鑒相器法測(cè)試相位噪聲優(yōu)點(diǎn)是鑒相后信號(hào)的載波被抑制，因此可以大大提高相位噪聲的測(cè)試靈敏度。另外，可以采用低噪聲放大器對(duì)鑒相后的信號(hào)進(jìn)行放大，從而可以降低測(cè)量接收機(jī)的噪聲系數(shù)，進(jìn)一步提高其測(cè)試靈敏度。同時(shí)，對(duì)于信號(hào)中同時(shí)存在的AM噪聲和相位噪聲，可以通過(guò)調(diào)整兩路信號(hào)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(hào)相位相差90°，則鑒相后輸出對(duì)AM噪聲的抑制可以高達(dá)40 dB，當(dāng)兩路鑒相信號(hào)相位相差 0°時(shí)，則輸出結(jié)果僅有AM噪聲。

對(duì)于該測(cè)試方法也有相應(yīng)的局限性，像鑒相器法的測(cè)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(wú)法同時(shí)測(cè)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(cè)信號(hào)分成兩路，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲線后與另一路經(jīng)過(guò)一個(gè)移相器移相后的信號(hào)進(jìn)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(shí)，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(cè)試方法具有載波抑制、調(diào)幅噪聲測(cè)試功能，測(cè)試時(shí)不需要額外的參考源，不需要信號(hào)同步，頻率漂移不再是問(wèn)題。但是該測(cè)試方法最大頻偏范圍受限，高頻時(shí)損耗較大，使得測(cè)試靈敏度較低，而且測(cè)試時(shí)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(cè)試的方法為直接數(shù)字解調(diào)法，該測(cè)試方法可以直接進(jìn)行I/Q解調(diào)測(cè)量, 轉(zhuǎn)換為Sf(f), 再計(jì)算L(f)。直接數(shù)字解調(diào)法無(wú)鑒相器和鎖相環(huán)，所以不需要進(jìn)行環(huán)路帶寬修正，可以簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過(guò)程。該測(cè)試方法不僅可以測(cè)量CW相位噪聲，在測(cè)相噪同時(shí)測(cè)量幅度噪聲，同時(shí)該測(cè)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(cè)試的靈敏度。并且可以在大信號(hào)存在時(shí)測(cè)量小電平信號(hào)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(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試應(yīng)用

3.1 頻綜和鎖相環(huán)測(cè)試

高性能鎖相環(huán)和頻綜測(cè)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(cè)的頻綜模塊提供非常干凈的時(shí)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(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)，除了具備最高頻率達(dá)67 GHz的射頻輸出能力外，同時(shí)可具備第二路6 GHz差分時(shí)鐘輸出口，是高性能頻綜鎖相環(huán)時(shí)鐘參考的最佳選擇。

為了評(píng)估頻綜的系統(tǒng)裕量指標(biāo)，還需要信號(hào)源可提供自定義相噪曲線的信號(hào)源，R&S SMW200A矢量信號(hào)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(gè)頻率偏移點(diǎn)的相噪編輯能力，用于幫助驗(yàn)證頻綜的系統(tǒng)裕量。

▲ 圖5 高性能頻綜測(cè)試框圖

抖動(dòng)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(dòng)衰減模塊用于抖動(dòng)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(lái)模擬抖動(dòng)的時(shí)鐘參考，同時(shí)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(cè)量?jī)刹讲僮?，自?dòng)完成抖動(dòng)傳遞函數(shù)(JTF)和環(huán)路帶寬指標(biāo)測(cè)試。

▲ 圖6 抖動(dòng)傳遞函數(shù)JTF測(cè)試

3.2 PCIe 5.0/6.0高速接口測(cè)試

如圖7所示，PCIe 4.0/5.0/6.0高速接口規(guī)范對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)要求越來(lái)越高，只能通過(guò)專用相噪分析儀完成。羅德與施瓦茨為PCIe最新規(guī)范測(cè)試提供了自動(dòng)化測(cè)試軟件，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制相噪分析儀R&S FSPN，依據(jù)協(xié)議模板完成參考時(shí)鐘指標(biāo)測(cè)試。由于頻率參考是電路板的一個(gè)主要 EMI 來(lái)源，一般都有擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC)要求，而通常的相噪儀無(wú)法支持?jǐn)U頻時(shí)鐘測(cè)試，R&S FSPN/FSWP采用了直接數(shù)字解調(diào)相噪測(cè)試法，可以更好地支持非擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC)和擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC)兩種測(cè)試要求。

▲ 圖7 PCIe參考時(shí)鐘一致性測(cè)試自動(dòng)化軟件

除了參考時(shí)鐘測(cè)試，R&S FSPN也可以支持PCIe系統(tǒng)級(jí)TX隨機(jī)抖動(dòng)(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(shí)PCIe的TX數(shù)據(jù)就是固定的16 GHz頻率的時(shí)鐘信號(hào)，R&S FSPN單機(jī)頻率可達(dá)26.5 GHz，非常方便地完成PCIe 16 GHz的時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試。

▲ 圖8 PCIe TX隨機(jī)抖動(dòng)測(cè)試框圖

四、 總結(jié)

新一代無(wú)線通信技術(shù)引入更高頻率和高階調(diào)制，對(duì)收發(fā)信機(jī)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(dòng)了SERDES 112/224G和PCIe 5.0/6.0新接口標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)，時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)進(jìn)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(cè)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(dòng)指標(biāo)優(yōu)異，測(cè)試速度快， 滿足下一代無(wú)線通信、有線高速接口、以及雷達(dá)的相噪和抖動(dòng)測(cè)試要求。

關(guān)于羅德與施瓦茨

羅德與施瓦茨是測(cè)試與測(cè)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(guò)85年，總部設(shè)在德國(guó)慕尼黑，在全球70多個(gè)國(guó)家設(shè)有子公司。作為一家獨(dú)立的科技集團(tuán)，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(gè)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(dòng)迎來(lái)新指標(biāo)

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審核編輯：湯梓紅