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时钟抖动和相位噪声对采样系统的影响
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时钟抖动和相位噪声对采样系统的影响
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关于相位噪声的分析大家都知道，相位噪声是频率域的概念，这里我们就先讲一下时域分析和频域分析：频域是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。对任何一个事物的描述都需要从多个方面进行，每一方面的描述仅为我们认识这个事物提供部分的信息。对于一个信号来说，它也有很多方面的特性，如信号强度随时间的变化规律（时域特性），信号是由哪些单一频率的信号合成的（频域特性）。时域分析与频域分析是对模拟信号的两个观察面。时域分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频域分析是把信号变为以频率轴为坐标表示出来。一般来说，时域的表示较为形象与直观，频域分析则更为简练，剖析问题更为深刻和方便。目前，信号分析的趋势是从时域向频域发展。然而，它们是互相联系，缺一不可，相辅相成的。抖动测量一直被称为示波器测试测量的最高境界。传统最直观的抖动测量方法是利用余辉来查看波形的变化。后来演变为高等数学概率统计上的艰深问题，抖动测量结果准还是不准的问题就于是变得更加复杂。时钟的特性可以用频率计测量频率的稳定度，用频谱仪测量相噪，用示波器测量TIE抖动、周期抖动、cycle-cycle抖动。但是更深层次的时域测量方法和频域测量方法的原理， TIE抖动和相噪抖动之间关系的推导推导，我们在网上搜集为大家提供一篇高人提供的文档，希望对仍然纠结在这些问题迷雾中的朋友们有所启发：抖动是衡量时钟性能的重要指标，抖动一般定义为信号在某特定时刻相对于其理想位置的短期偏移。这个短期偏移在时域的表现形式为抖动(这里的抖动专指时域抖动)，在频域的表现形式为相噪。本文主要探讨下时钟抖动和相噪以及其测量方法，以及两者之间的关系。1、抖动介绍　抖动是对时域信号的测量结果，反映了信号边沿相对其理想位置偏离了多少。抖动有两种主要成分：确定性抖动和随机抖动。确定性抖动是可以重复和预测的，其峰峰值是有界的，通常意义上的DJ是指其pk-pk值;随机抖动是不能预测的定时噪声，分析时一般使用高斯分布来近似表征，理论上可以偏离中间值无限大，所以随机抖动是没有峰到峰边界的，通常意义上的RJ指标是指其RMS值，可以根据其RMS值推算其在一定误码率时的值。目前最常用的分析方法是使用双狄拉克模型。该模型假定概率密度函数两侧的尾部是服从高斯分布的，高斯分布很容易模拟，并且可以向下推算出较低的概率分布。总抖动是RJ和DJ概率密度函数的卷积。　　 &　　但是，业界对于高斯分布能否精确地描绘随机抖动直方图的尾部还存在争议。真正的随机抖动是遵守高斯分布的，但实际的测量中多个低幅度的DJ会卷积到一个分布函数，这导致测量出的概率密度分布的中心接近高斯分布，而尾部却夹杂了一些DJ。所以，真正的RJ可能只占高斯模型的抖动的一部分，测量中RJ可能被放大了，同时总抖动也会被放大。2、抖动测量　　时钟抖动通常有三种测量方法，对应于TIE(Time Interval Error 时间间隔误差)、period(周期抖动)和Cycle-Cycle(相邻周期抖动)三种抖动指标。　　TIE抖动(时间间隔误差)，以被测时钟沿与理想时钟沿之间的时间差为样本，即以图中的TIEn为样本，通过对很多个样本进行统计分析，表征时钟沿与理想时钟沿偏离值的变化、分布情况，如下图所示：　　 & 　　Period Jitter(周期抖动)，以时钟信号的周期做样本，即以图中的Pn做样本，通过对很多个样本进行统计分析，表征时钟信号周期Pn的变化、分布情况，对于保证数字系统中的建立保持时间规范很有意义。如下图所示：　　 &　　Cycle-Cycle Jitter(Cycle-Cycle抖动)，以时钟信号相邻周期的差值做样本，即以图中的Cn做样本，通过对很多个样本(1K~10K)进行统计分析，表征时钟信号相邻周期变化值的变化、分布情况，一般用于需要限制频率突变的场合。如下图所示：　　TIE、Jperiod和Jcycle-cycle三种抖动指标之间的关系如下：TIE的微分可以得到周期抖动。　　　　其中，Δtpn为周期抖动， tn为实际周期，T0为理想周期，ΔtIEn为TIE抖动。　　周期抖动(period jitter)的微分可以得到cycle-cycle jitter。　　 　其中，Δtcn为周期抖动， tn为实际周期，Δtpn为周期抖动。　　三者的关系可以用下图表示：3、相噪介绍　　相位噪声反映的是单载波信号的频谱纯度，如果没有相位噪声，信号的所有功率都应集中在其振荡频率f0处(下图左Carrier)，这个理想信号用Asin(ωt)表示。由于存在相位噪声(下图左Noise)，相当于在理想信号上调制了一个Φ(t)相位信号，此时整个信号表示为Asin(ωt+Φ(t))。在频谱上体现为一部分功率扩展到相邻的频率中去，形成边带(下图右)。相噪定义为单边带某一给定偏移频率fn处1Hz带宽内的功率Pn与信号总功率Ps比值的对数，即 10lg(Pn/Ps)，相噪以dBc/Hz@fn为单位来表示。这里dBc的含义是某频点功率与信号总功率的比值(下图右)，对应于时钟相位偏移与时钟周期的比值。4、相噪测量　　相噪测量一般使用相噪仪进行，由于技术发展，现在相噪仪不仅可以测量相噪，还可以分析电源等其它信号的噪声，所以相噪仪也称为信号分析仪。相噪仪的原理与频谱仪类似，但是更加精密，并增加了一些特定的分析功能，因此使用频谱仪也可以粗略地测试相噪。相噪仪测试相噪有多种测量方法，但使用最广泛的还是频谱分析法和鉴相法这两种测量原理。4.1 频谱分析法　　频谱分析法是对时钟信号进行频谱分析，先测量信号总功率Ps，再测量某一偏移频率出的功率Pn，再经过计算便可得到该被测时钟的单边带相位噪声。频谱分析法是一种简单直接的相噪分析技术，适宜于测量漂移较小但相位噪声相对较高的信号;但是频谱分析法不能分辨出调幅噪声和相位噪声，测试波形不太完美的时钟信号相噪时会存在较大误差;另外由于频谱仪的动态范围和最小分辨带宽的限制，测量精度受限。4.2 鉴相法　　鉴相法采用外差混频方式将被测时钟信号转化至中频，在中频用一个锁相环提取出被测时钟信号的载波信号，再将该信号与被测信号正交鉴相，从而提取被测时钟信号的相位噪声Φ(t) ，处理后得到频域相噪SΦ(f) ，进一步积分可以得到L(f) ，L(f)对应于RMS相噪。鉴相法的优点是动态范围大，相噪电平采用低噪放大器提高灵敏度，并且可以分辨调幅噪声和相位噪声。　　另外，鉴相法还可以进一步增加互相关技术来增加灵敏度。互相关技术是将两路鉴相法组合起来，对其输出信号执行互相关操作。待测时钟的噪声通过每路通道仍然是相关的，不受互相关影响;每路通道内部产生的噪声是不相关的，被互相关操作抑制。引入互相关技术后无需特别精密的器件就可以实现更高的测量灵敏度。5、抖动与相噪分析及转换5.1 相噪转化为抖动的计算　　相位噪声到抖动的转化，可以有如下的公式推导。　　频率f1到f2的相噪频谱积分可得到相噪Φ(t)的RMS值的平方(RMSΦ(t))2：　　　　其中，SΦ(t)为相噪频谱，L(f) 为积分后的相噪。由于相噪曲线为不规则曲线，运算量很大，实际测量时该积分运算由仪器完成。　　总的信号可以表示为以下函数：　　　　其中C(t)表示总的信号，Φ(t)表示调制其上的相位噪声。将Φ(t)与周期/频率结合起来可以得到TIE抖动的表示为：　　　　另有，TIE抖动的RMS值为：　　　　其中，L(f)是关心频段内相噪的积分。　　从下面的测量可以得到10Hz到30MHz的积分相噪是-51.5dBc，以该测量为例计算：　　　　UI=1/999.999992MHz≈1ns　　RMS JTIE=3.763mrad*1ns/2π=0.215° *1ns/360°=0.5972ps　　5.2 相噪与抖动测量值的比较　　下面四幅图分别是时域的TIE、Jc-c、Jperiod和频域的相噪，可以看到四个测量值有很大的差异，原因可能有以下几点：　　o 相噪测试时设定了具体的积分带宽，这个带宽一般在几十兆Hz以内。而时域抖动测试并没有带宽限制，其带宽限制只取决于示波器仪器本身；　　o 仪器在测量过程中引入噪声，这里示波器的底噪大于相噪仪，引入的噪声会更大些；　　o 相噪仪只是观察到每一个时刻的噪声，示波器可以累积观察一段时间的噪声；　　o 相噪测试时以输入信号本身的频率作为基频，忽略了信号的频偏;而示波器测量TIE时会以理想时钟作为参考。以上内容为我们为大家分享的关于时钟抖动及相位分析的文章，希望对大家有所帮助。我公司致力于相噪分析仪的研究，采用相位测量技术，自行研发生产了一款相位噪声和阿伦方差同时测试的高精度噪声测试仪，本相位噪声分析仪实时显示测量结果，结果准确可靠，不需要附加数据处理即阿伦方差计算等软件程序。将精确的相噪和阿伦方差测量成本显著降低，覆盖几乎所有常用的频率源范围。达到-140 dBc/Hz@1 Hz,使其成为分析超低相噪频率源的最佳选择。关于这款相噪分析仪更多的资料，请致电我公司！
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周一至周五 ：8:30-17:30免费热线：400-609-1829电话/传真：029-移动网站：上传用户：zdnqhmrcuj资料价格：5财富值&&『』文档下载 ：『』&&『』学位专业：&关 键 词 ：&&&&权力声明：若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请点击。摘要:（摘要内容经过系统自动伪原创处理以避免复制，下载原文正常，内容请直接查看目录。）今朝罕见的相位噪声丈量体系常常基于同频鉴相道理，在丈量时需引入庞杂的频率变换环节，不只本钱高并且会引入噪声，下降丈量准确度。由于体系庞杂、对配套装备精度请求高，我国一向没法本身临盆。本论文是在导师指点下停止的我国自立常识产权相噪丈量技巧方面的摸索性任务。论文在研讨周期性旌旗灯号的群相位变更纪律的基本上，提出了基于群相位关系的相位噪声丈量体系。该体系分下位机和上位机两个部门，下位机硬件对随意率性频率旌旗灯号直接停止频率丈量和相位比对，丈量精度可达5×10一12/s；上位机读取硬件所测数据并停止处置，获得被测旌旗灯号的相位噪声信息。本文重点对体系中旌旗灯号和数据处置停止了深刻的研讨，在对硬件丈量办法的深刻研讨下提出了基于群相位关系的相位发抖提取办法及相位发抖到单边带相位噪声的转换算法，并停止了试验剖析；编写了上位机法式，从串口读取的下位机丈量数据中提掏出相位发抖信息，经由时域到频域的转换获得被测旌旗灯号的单边带相位噪声。因为此项研讨整体上展开时光不长，体系临时只完成了相位噪声丈量功效的完成。今朝对被测旌旗灯号载频近真个相位噪声丈量曾经完成，远真个相位噪声丈量任务还在停止中。该旌旗灯号处置办法将群相位实际的运用范畴扩大到了相位噪声丈量中，省去了普通相位噪声丈量体系中的频率变换环节，简化了体系，勤俭了本钱，并进步了丈量分辩率，办法新鲜，具有主要的意义。Abstract:At present rare phase noise measurement system is often based on the same frequency, the need to introduce a complex frequency conversion link, not only the high cost of the introduction of noise, and the accuracy of measurement. Because of complex system, a request for high precision equipment, China has always been unable to give birth itself. This thesis is a study of the technical aspects of the independent intellectual property right of our country under the guidance of the tutor. In the study of periodic signal in the group phase change discipline basically, the relationship between the phase and the group phase noise measurement system based on. The system is divided into two departments of host computer and slave computer, lower computer hardware for arbitrary whims of frequency signal directly to stop frequency measurement and phase comparison, measurement accuracy is up to 5 x 10 12/s; PC read hardware test data and processing, to obtain the information of the phase noise of signal measured. This paper focuses on the system flags, and data disposal stopped in-depth research, in deep research of hardware measuring method is proposed based on the relationship between the phase and the group phase shaking extraction method and the phase shaking to single sideband phase noise conversion method, and to stop the t write the PC procedures, from the serial port to read the hypogynous machine measurement data provided out of phase shaking information, via time domain to frequency domain conversion measured signal of single sideband phase noise. Because the research on the whole time is not long, the system has completed the phase noise measurement of the effectiveness of the completion of the. Current signal carrier frequency to be measured in a phase noise measurement has been completed, far phase noise measurement is stopped. The signal processing methods will group phase the actual scope of the use of extended to the phase noise measurement, eliminating the need for common phase noise measurement system of frequency conversion link, simplifying the system, thrift of the cost, and improve the measurement resolution, fresh, is of major significance.目录:摘要3-4Abstract4目录5-7第一章 绪论7-11&&&&1.1 研究背景和意义7-8&&&&1.2 相位噪声测量技术国内外现状与发展趋势8-9&&&&1.3 本文主要内容介绍9-11第二章 传统相位噪声测量技术研究11-21&&&&2.1 相位噪声的基本概念及表征方法11-15&&&&&&&&2.1.1 相位噪声的定义11-12&&&&&&&&2.1.2 相位噪声的表征12-15&&&&2.2 常用相位噪声的测量方法15-20&&&&&&&&2.2.1 频谱仪测量法15-16&&&&&&&&2.2.2 差拍法16-18&&&&&&&&2.2.3 检相法18-19&&&&&&&&2.2.4 鉴频法19-20&&&&&&&&2.2.5 直接数字化测量法20&&&&2.3 本章小结20-21第三章 基于群相位关系的相位噪声测量方案设计21-35&&&&3.1 群相位关系研究21-28&&&&&&&&3.1.1 群相位相关概念21-27&&&&&&&&3.1.2 群相位关系在实际中的应用27-28&&&&3.2 相噪系统总体方案设计28-34&&&&&&&&3.2.1 基本原理28-30&&&&&&&&3.2.2 系统设计30-34&&&&&&&&3.2.3 设计总结34&&&&3.3 本章小结34-35第四章 基于群相位关系的相位噪声转换算法研究35-49&&&&4.1 基于 FFT 快速功率谱估计方法35-40&&&&&&&&4.1.1 快速傅立叶变换简介35-39&&&&&&&&4.1.2 基于 FFT 的功率谱估计步骤39-40&&&&4.2 基于群相位关系的相位抖动提取40-43&&&&4.3 相位抖动向相位噪声转换的数学推导43-46&&&&4.4 转换算法的实验及结果分析46-48&&&&4.5 本章小结48-49第五章 上位机系统设计及实验分析49-61&&&&5.1 基于 LabVIEW 的数据通信49-52&&&&5.2 基于 LabVIEW 和 Matlab 的数据处理52-58&&&&&&&&5.2.1 Matlab 算法实现52-55&&&&&&&&5.2.2 LabVIEW 算法实现55-57&&&&&&&&5.2.3 结果比较57-58&&&&5.3 实验分析58-60&&&&5.4 本章小结60-61结束语61-63致谢63-65参考文献65-69在读期间的研究成果69-71附录 A71-73附录 B73-74附录 C74-75分享到：相关文献|同学，你有没有想过相噪的负值是什么原因造成的？也许你应该知道小于１的正实数的以１０为底的对数是负值吧？:lol:lol:lol:lol
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我不是不明白它为什么是负值，而不是不明白怎么计算积分，你没看明白我的问题。
我的问题是，由于函数值是负的，计算积分时应该是计算曲线以上的面积，而对噪声功率却是计算曲线下的面积。
[ 本帖最后由 saber_tooth 于
22:41 编辑 ]
UID199126&帖子93&精华0&积分233&资产233 信元&发贴收入505 信元&推广收入0 信元&附件收入3027 信元&下载支出3394 信元&阅读权限20&在线时间127 小时&注册时间&最后登录&
相位噪声的单位是dBc/Hz，相位噪声功率谱密度的单位是rad^2/Hz，通常对噪声的积分可以得到抖动指的是对相噪功率谱密度的积分。
相位噪声是对相位噪声的半边功率谱密度计算，假定相位噪声为L(f)，相位噪声功率谱密度为S，
关系为L=10*log10(S/2)，通过L得到S，再对S积分。
积分区间为应用所关心的，对vco积分没有意义，都是对pll积分。对积分结果贡献最大的是平坦的那段频率区间，也就是带内，假如带宽是100kHz，从1kHz～100kHz是贡献最大的，当然你也可以从100Hz积分到10MHz，但是带外增加的就不多了，前提是带外不会有噪声突起。
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这样应该就可以计算了，明天试一下，看和spectre仿真的Jcc结果是否相符，谢谢了！！！
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原帖由 rfic08 于
22:49 发表
相位噪声的单位是dBc/Hz，相位噪声功率谱密度的单位是rad^2/Hz，通常对噪声的积分可以得到抖动指的是对相噪功率谱密度的积分。 相位噪声是对相位噪声的半边功率谱密度计算，假定相位噪声为L(f)，相位噪声功率谱密 ...
那用matlab怎么才能从相位噪声PSD计算出jitter呢
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原帖由 tjjbraye 于
23:03 发表
那用matlab怎么才能从相位噪声PSD计算出jitter呢
整个区间积分=1
对感兴趣的区间积分，得到噪声的归一化功率
对其开方即得归一化的RMS jitter，即多少个unit interval的jitter，比如0.01UI， 0.02UI
对于PLL，方法是一样，但是我没想明白为什么对于积分总和不等于1的东西这样算怎么行。。。也许是个近似吧
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帮顶 希望高手解答
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saber_tooth
您好，大侠，你的PLL的JCC仿真是怎么实现的，本人菜鸟，求指导
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我看到有的书上写的是相位噪声定义为偏移载波频率处的噪声功率谱密度与载波功率之比的分贝数，如果按照你给的公式L(Δω)=10lg（S/2）,那相位噪声就只与相位噪声功率谱密度有关，与载波功率无关啦，这是怎么回事，能不能解释下
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【指导单位】工业和信息化部 中国科学院 中国科学技术协会 福建省人民政府
【主办单位】中国电子学会基于最小二乘拟合的相位噪声与时钟抖动换算方法研究--《第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S04原子钟技术与时频系统》2012年
基于最小二乘拟合的相位噪声与时钟抖动换算方法研究
【摘要】：时钟抖动和相位噪声分别描述了时钟信号的时域和频域特性,二者的实质都是对时钟固有特性的描述,而且可以相互转换。从实际测试的角度,时钟抖动和相位噪声的测量方法都较为成熟,飞秒(fs)量级抖动的测量对数据采集和测试精度要求很高,与之量级对等的相位噪声测量的则较为容易实现,因此研究相位噪声与时钟抖动的换算方法显得尤为必要。本文讨论了全积分法计算指定频偏处时钟均方根抖动的算法,以及快速折线积分法计算时钟宽带均方根抖动的算法,并针对二者存在问题进行了分析。在此基础上,研究了一种基于最小二乘拟合的相位噪声与时钟抖动换算方法,分析了测量点数与曲线拟合法计算时钟宽带均方根抖动的精度之间的关系。最后,针对某一具体时钟进行实测对比验证,得出的结论为:选取整10进制频率点处得的噪声谱密度测量值,即可满足换算误差在5%左右,并且最小二乘拟合曲线计算时钟抖动的算法兼具精度高和计算快速的优点,测试结果证明了该算法的有效性。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TM935.11【正文快照】：
1引言相位噪声和时钟抖动是从不同方面来描述同一个时钟信号的特征。相位噪声是是一个频域概念,将时钟信号的一部分功率扩展产生的边带污染,统称为相位噪声。时钟抖动是一个时域的概念,它描述了信号周期距离其理想值偏离的程度,将信号时域变化的测量结果定义为时钟抖动[1][2]
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