测量时钟频率的相位噪声和相位抖动时出现的问题分析
时钟抖动的4大根本原因及3种查看途径
时钟抖动的4大根本原因及3种查看途径时钟接口阈值区间附近的抖动会破坏ADC的时序。
例如，抖动会导致ADC在错误的时间采样，造成对模拟输入的误采样，并且降低器件的信噪比（SNR）。
降低抖动有很多不同的方法，但是，在get降低抖动的方法前我们必须找到抖动的根本原因！时钟抖动，why？时钟抖动的根本原因就是时钟和ADC之间的电路噪声。
随机抖动由随机噪声引起，主要随机噪声源包括· 热噪声(约翰逊或奈奎斯特噪声)，由载流子的布朗运动引起。
· 散粒噪声，与流经势垒的直流电流有关，该势垒不连续平滑，由载流子的单独流动引起的电流脉冲所造成。
· 闪烁噪声，出现在直流电流流动时。
该噪声由携带载流子的半导体中的陷阱引起，这些载流子在释放前通常会形成持续时间较短的直流电流。
· 爆裂噪声，也称爆米花噪声，由硅表面的污染或晶格错位造成，会随机采集或释放载流子。
查看时钟信号噪声，how？确定性抖动由干扰引起，会通过某些方式使阈值发生偏移，通常受器件本身特性限制。
查看时钟信号噪声通常有三种途径：时域、频域、相位域。
咳咳，敲黑板划重点，以上三种途径的具体方法如下↓↓↓时域图图1. 抖动的时域图时钟抖动是编码时钟的样本（不同周期）间的变化，包括外部和内部抖动。
抖动引起的满量程信噪比由以下公式得出举个栗子，频率为1 Ghz，抖动为100 FS均方根值时，信噪比为64 dB。
在时域中查看时，x轴方向的编码边沿变化会导致y轴误差，幅度取决于边沿的上升时间。
孔径抖动会在ADC输出产生误差，如图2所示。
抖动可能产生于内部的ADC、外部的采样时钟或接口电路。
图2. 孔径抖动和采样时钟抖动的影响图3显示抖动对信噪比的影响。
图中显示了5条线，分别代表不同的抖动值。
x轴是满量程模拟输入频率，y轴是由抖动引起的信噪比，有别于ADC总信噪比。
图3. 时钟抖动随模拟信号增大而提升信噪比由抖动引起的信噪比和有效位数(ENOB)的关系由以下公式定义：SNR = 6.02 N + 1.76 dB其中N =有效位数。
数字系统时钟抖动
数字系统时钟抖动数字系统时钟抖动是指当数字系统的时钟信号存在不稳定性或噪声时，导致时钟信号产生微小的偏移或抖动现象。
时钟信号在数字系统中起着至关重要的作用，它用于同步各个模块的操作，确保数据的准确传输和处理。
然而，时钟抖动会对系统的性能和可靠性产生负面影响。
本文将探讨数字系统时钟抖动的原因、后果以及应对措施。
一、时钟抖动的原因1. 元器件误差：元器件的制造和使用过程中会存在一定的误差，例如晶体振荡器的频率精度、时钟发生器的稳定性等。
这些误差在时钟信号传输过程中会放大，导致时钟抖动。
2. 环境干扰：数字系统所处的环境中存在各种干扰源，如电磁波干扰、温度变化、电源波动等。
这些干扰会对时钟信号的传输和接收产生影响，进而引起时钟抖动。
3. 信号串扰：在复杂的数字系统中，各个信号线之间会存在串扰现象，即一个信号线上的电磁场对其他信号线产生影响。
当时钟信号受到其他信号线的串扰时，也会导致时钟抖动。
二、时钟抖动的后果1. 时序错误：时钟抖动可能导致时钟信号的上升沿或下降沿不准确，进而造成时序错误。
这会导致数据传输出错、计时错误等问题，严重时可能导致整个系统的崩溃。
2. 数据稳定性下降：时钟抖动会导致数据的采样和恢复不准确，使得数据的稳定性下降。
在高速数据传输中，时钟抖动可能导致数据丢失或数据错误，影响系统的可靠性和性能。
3. 时钟频率偏移：时钟抖动可能导致时钟信号的频率产生微小的偏移，进而影响系统的时钟同步和数据处理速度。
这会给系统的运行带来一定的难度和不确定性。
三、应对时钟抖动的措施1. 选择高质量的元器件：在设计和选择数字系统的元器件时，应注重其频率精度、稳定性和抗干扰能力。
采用高质量的晶体振荡器、时钟发生器等元器件，能够减小时钟抖动的概率。
2. 优化时钟布线：合理设计时钟信号的布线路径，避免与其他信号线的干扰。
尽可能使用短而直接的时钟线路，减少串扰的可能性。
3. 电磁屏蔽和滤波：对数字系统中的时钟信号进行电磁屏蔽和滤波处理，减少来自外界的干扰。
相位噪声与时钟抖动的关系(一)
相位噪声与时钟抖动的关系(一)
相位噪声与时钟抖动的关系
1. 相位噪声和时钟抖动的定义
•相位噪声：指随机的相位偏差，即信号在时间上的相对位置的不确定性。
•时钟抖动：指时钟信号的频率变化或周期性的相位变化。
2. 相位噪声和时钟抖动的关系
•相位噪声和时钟抖动是密切相关的概念，在很多场合可以互相转化和描述。
•时钟抖动可以看作是频率的相位噪声，而相位噪声可以看作是频率的时钟抖动。
•当时钟的频率相对稳定时，相位噪声的影响较小，主要表现为时钟抖动；当频率不稳定时，时钟抖动对相位的影响将显现为相位噪声。
3. 时钟抖动产生相位噪声的原因
•时钟抖动的产生原因多种多样，主要包括：
–温度变化引起的晶体振荡器频率漂移；
–电源噪声、电磁干扰导致的振荡器频率变化；
–振荡器本身的非线性特性引起的频率波动等。
•时钟抖动产生的相位噪声是由于时钟信号的频率波动导致信号在时间上的相对位置不断变化，进而产生了相位的不确定性。
4. 相位噪声对系统性能的影响
•相位噪声会影响系统的精度、稳定性和性能。
•在通信、雷达、测量等领域，相位噪声可能导致信号失真、干扰增加、测量误差等问题。
•在精密测量和频率合成等应用中，需要通过降低时钟抖动来减小相位噪声，以提高系统的精度和性能。
5. 总结
•相位噪声和时钟抖动密切相关，可以相互转化和描述。
•时钟抖动产生的相位噪声主要是由于时钟信号的频率波动引起的。
•相位噪声对系统性能的影响很大，需要降低时钟抖动来减小相位噪声。
采样时钟抖动的原因及其对ADC信噪比的影响与抖动时钟电路设计
采样时钟抖动的原因及其对ADC信噪比的影响与抖动时钟电路设计ADC是现代数字解调器和软件无线电接收机中连接模拟信号处理部分和数字信号处理部分的桥梁，其性能在很大程度上决定了接收机的整体性能。
在A/D转换过程中引入的噪声来源较多，主要包括热噪声、ADC电源的纹波、参考电平的纹波、采样时钟抖动引起的相位噪声以及量化错误引起的噪声等。
除由量化错误引入的噪声不可避免外，可以采取许多措施以减小到达ADC前的噪声功率，如采用噪声性能较好的放大器、合理的电路布局、合理设计采样时钟产生电路、合理设计ADC的供电以及采用退耦电容等。
本文主要讨论采样(a)12位ADC理想信噪比(b)AD9245实测信噪比图1 不同时钟抖动情形下12位ADC的信噪比示意图时钟抖动对ADC信噪比的影响采样时钟的抖动是一个短期的、非积累性变量，表示数字信号的实际定时位置与其理想位置的时间偏差。
时钟源产生的抖动会使ADC的内部电路错误地触发采样时间，结果造成模拟输入信号在幅度上的误采样，从而恶化ADC的信噪比。
在时钟抖动给定时，可以利用下面的公式计算出ADC的最大信噪比：根据公式(2)，图1分别给出了量化位数为12-bit时不同时钟抖动情形下ADC 理想信噪比和实测信噪比示意图。
由图1可以看出时钟的抖动对ADC信噪比性能的恶化影响是十分明显的，相同时种抖动情形下进入到ADC的信号频率越高，其性能恶化就越大，同一输入信号频率情形下，采样时钟抖动越大，则ADC信噪比性能恶化也越大。
对比图1中两个示意图可以看出实测的采样时钟抖动对ADC信噪比性能的影响同理论分析得到的结果是十分吻合的，这也证明了理论分析的正确性。
因此，在实际应用时不能完全依据理想的信噪比公式来选择A/D 转换芯片，而应该参考芯片制造商给出的实测性能曲线和所设计的采样时钟的抖动性能来合理选择适合设计需要的A/D转换芯片，并留出一定的设计裕量。
图2 一个实用的低抖动时钟产生电路两种实用的低抖动采样时钟产生电路时钟抖动的产生机制直接测量时钟抖动是比较困难的，一般采用间接测量的方法，为此本节首先给出时钟抖动的产生机制。
相位噪声和抖动的概念及其估算方法
相位噪声和抖动的概念及其估算方法相位噪声是指信号相位的随机变化，包括相位偏移和频率变化。
它可以由信号在频率上扩展的能量来描述。
相位噪声对于许多系统来说是非常严重的问题，因为它会导致信号失真，限制系统的精度和性能。
相位噪声可以通过将信号与参考信号进行比较来测量，通常使用频谱分析法来估算。
抖动是指信号周期性的时移变化，通常是由于时钟信号的不稳定性引起的。
抖动可以看作是相位噪声的一种特殊形式，但它更关注短期和周期性的时间偏移。
抖动可以通过测量信号上相邻周期的时间差来估算。
1.频谱分析法：这是最常用的相位噪声估算方法。
通过将信号与参考信号进行频谱分析，可以得到相位噪声的频谱密度。
频谱密度描述了信号在不同频率上的相位随机变化程度，从而提供了相位噪声的估计。
2.相位瞬时法：相位瞬时法通过观察信号上相邻采样点之间的相位差异来估算相位噪声。
它可以通过计算信号的瞬时相位和瞬时频率来获得。
3.时隙法：时隙法是一种抖动估算方法，通过测量信号在不同时钟周期上的时间差异来估计抖动。
它可以使用高精度的时钟信号对待测信号进行采样，然后利用时隙间的时间差来计算抖动。
4.皮亚诺法：皮亚诺法是一种抖动估算方法，通过测量信号在一段时间内的累积相位偏移来估计抖动。
它利用计时器和参考时钟来测量信号的周期和时钟周期之间的偏移，从而计算抖动。
以上方法只是相位噪声和抖动的估算方法中的一部分，根据不同的应用和实际需求，还可以使用其他方法来进行估算。
在实际应用中，为了获得准确的估算结果，通常需要考虑到噪声的频率范围、采样率和信号特性等因素，选择合适的估算方法和参数。
相位噪声和抖动的估算是一个相对复杂的问题，在实际应用中需要结合具体情况进行综合考虑和分析。
【精选】相位噪声的产生原因和影响
相位噪声的产生原因和影响概述相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。
在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。
相位噪声是频率域的概念。
相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。
用一个振荡器信号来解释相位噪声。
如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。
但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。
从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。
一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。
定义定义1：相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标源自: 有线数字电视传输特性与故障解析《中国有线电视》 2005年赵雨境,王恒江定义2：相位噪声是指光的正弦振荡不稳定,时而出现某处相位的随机跳变.相位噪声导致光源线宽变宽.光强度噪声是指因自发辐射光强的随机变化和外界温度的变化,导致发射光强的起伏源自: Fabry-Perot干涉式光纤温度传... 《传感器技术》 2001年曹满婷来源文章摘要：分析了温度对相位的调制作用以及Fabry -Perot干涉结构检测相位变化的原理 ,提出了一种具有高灵敏度和高分辨率的相位调制型全光纤结构 ,并进行了系统的噪声分析。
定义3：是一随机量通常把信号的相似随机起伏中（t）称为相位噪声.（t）随时间变化的随机过程是一平稳的随机过程并使随机量的概率密度分布符合正态分布源自: 受多项噪声影响的二级方差估值的置信度《四川教育学院学报》 1997年林时昌来源文章摘要：有限次（ｍ次）采样测量的二级方差估值（，ｍ）随机地偏离其真值＜）。
测量时钟频率的相位噪声和相位抖动时出现的问题分析
请注意，以秒为单位的RMS相位抖动与f0成反比。当频率被分频时，相位噪声L（f）下降20log（N）。然而，由于频率也下 降了N，以时间为单位表示的相位抖动是恒定的。因此，与20log（N）相关的相位噪声曲线在抖动带宽上具有相同的相位噪声 形状，预计会在几秒钟内产生相同的相位抖动。
例子
我们来看一个具体的例子。作为一个实验，我拿了一个Si5345抖动衰减器，输入一个25MHz的时钟，并配置它，使我只改变 一个（内部）输出分频因子2，以获得从800MHz
为什么是这样？实际数字分频器的输出是上升沿和下降沿，信号处于逻辑高电平或低电平。抖动仅出现在上升沿和下降沿。抖 动对每个时钟周期的比例降低。我们的直觉可能表明，如果我们减少抖动边缘的数量，那么我们减少了分频时钟传输的抖动。 事实证明是正确的。
这可以写成：
相位抖动会怎样?
我们整合了SSB相位噪声L（f）[dBc / Hz]，以获得以秒为单位的RMS相位抖动，如下所示：从f1到f2的偏移频率以Hz为单位 进行积分，其中f0时出现的问题分析
测量时钟频率的相位噪声和相位抖动时出现的问题分析
20log(N)规则
首先，是对20log（N）规则的快速回顾：
如果一个时钟的载波频率下降了N倍，那么我们预计相位噪声会减少20log（N）。例如，每个除以因子2的除法应该导致相位 噪声减少20log（2）或大约6dB。这里的主要假设是无噪声的传统数字分频器。
相位噪声和抖动的概念及其对系统性能的影响
相位噪声和抖动的概念及其对系统性能的影响1.相位噪声的概念：相位噪声是指信号或系统相位的短期和长期不稳定性，通常以功率谱密度的形式表示。
它是由于信号中频率分量的随机波动引起的。
相位噪声可以描述系统时钟的稳定性，以及信号与系统传输中引入的相位失真。
2.抖动的概念：抖动是指信号或系统的时间间隔的不稳定性。
它是指在信号或系统中观察到的无规律的时间偏移或频率偏移。
抖动可以由多种因素引起，如时钟不稳定性、噪声、温度变化等。
抖动可以影响信号的准确性、稳定性和可靠性。
3.相位噪声和抖动对系统性能的影响：-频谱扩展：相位噪声和抖动会导致信号频谱的扩展，使信号在频域上具有更宽的带宽。
这会降低信号的功率效率，增加系统的带宽需求。
-信号失真：相位噪声和抖动会引起信号的相位偏移，导致信号的形状发生变化。
这会导致信号的失真和误差增加，降低系统的性能和可靠性。
-时钟同步误差：相位噪声和抖动会对时钟信号的准确性和稳定性产生影响，进而影响整个系统的时钟同步。
时钟同步误差会导致数据传输中的时序错误，使系统无法正常工作。
为了减小相位噪声和抖动对系统性能的影响，需要采取一些措施。
常见的方法包括：-时钟优化：选择合适的时钟源，提高时钟的稳定性和准确性。
可以使用低噪声振荡器、时钟锁相环等技术来减小相位噪声和抖动。
-滤波器设计：使用合适的滤波器来抑制噪声和抖动。
可以采用低通滤波器、带通滤波器等方法来限制频率范围，降低噪声和抖动的影响。
-信号处理算法：可以采用信号处理算法来补偿相位噪声和抖动引起的误差。
常见的算法包括锁相环、相关器等技术。
综上所述，相位噪声和抖动是系统性能的重要指标，它们对信号的质量和可靠性有着重要的影响。
了解相位噪声和抖动的概念，并采取适当的措施来减小其影响，对于提高系统性能具有重要意义。
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测量时钟频率的相位噪声和相位抖动时出现的问题分析
20log(N)规则
首先，是对20log（N）规则的快速回顾：
如果一个时钟的载波频率下降了N倍，那么我们预计相位噪声会减少20log（N）。
例如，每个除以因子2的除法应该导致相位噪声减少20log（2）或大约6dB。
这里的主要假设是无噪声的传统数字分频器。
为什么是这样？实际数字分频器的输出是上升沿和下降沿，信号处于逻辑高电平或低电平。
抖动仅出现在上升沿和下降沿。
抖动对每个时钟周期的比例降低。
我们的直觉可能表明，如果我们减少抖动边缘的数量，那么我们减少了分频时钟传输的抖动。
事实证明是正确的。
这可以写成：
相位抖动会怎样?
我们整合了SSB相位噪声L（f）[dBc / Hz]，以获得以秒为单位的RMS相位抖动，如下所示：从f1到f2的偏移频率以Hz为单位进行积分，其中f0是载波或时钟频率。
在实践中，所涉及的数量足够小，对于良好的时钟来说，对于12kHz到20MHz的抖动带宽，RMS相位抖动大约在10s到100s的飞秒数量级上。
请注意，以秒为单位的RMS相位抖动与f0成反比。
当频率被分频时，相位噪声L（f）下降20log（N）。
然而，由于频率也下降了N，以时间为单位表示的相位抖动是恒定的。
因此，与20log（N）相关的相位噪声曲线在抖动带宽上具有相同的相位噪声形状，预计会在几秒钟内产生相同的相位抖动。
例子
我们来看一个具体的例子。
作为一个实验，我拿了一个Si5345抖动衰减器，输入一个25MHz的时钟，并配置它，使我只改变一个（内部）输出分频因子2，以获得从800MHz。