时钟抖动和相位噪声对采样系统的影响
matlab 相位噪声
MATLAB相位噪声引言MATLAB是一种功能强大的数值计算环境和编程语言，它的广泛应用让我们能够进行各种科学和工程领域的计算和分析。
相位噪声是MATLAB中一个重要的研究主题，本文将对MATLAB相位噪声进行全面、详细、完整且深入的探讨。
什么是相位噪声在MATLAB中，相位噪声是指信号的相位部分存在不稳定性或随机性的情况。
相位噪声可以产生于各种信号处理系统或通信系统中，它会导致信号的频率不确定性或时序不良，从而影响到系统的性能和准确性。
相位噪声的特征及影响相位噪声通常具有以下特征：1.高度随机性：相位噪声是一种随机过程，其发生规律难以预测，具有很高的不确定性。
2.频谱分布广：相位噪声在不同频率范围内具有不同的功率分布，通常呈现为低频部分较强的特点。
3.对系统性能的影响：相位噪声会引起系统的频偏、抖动等问题，从而降低系统的性能和准确性。
相位噪声在一些特定的应用领域中会带来严重的影响，比如通信系统、雷达系统、时钟同步系统等。
在这些系统中，相位噪声对信号传输的准确性和可靠性有着重要的影响。
相位噪声的产生机制和建模方法相位噪声的产生机制通常与信号的生成和传输过程有关。
在MATLAB中，可以采用不同的建模方法来模拟相位噪声，其中比较常用的方法包括：1.随机游走模型：基于随机游走的模型可以较好地描述相位噪声的特性，其基本思想是通过随机过程模拟相位的变化。
2.频率鉴别器：通过频率鉴别器可以实现相位噪声的建模，它是一种在频域上对信号进行频率测量的滤波器。
3.相位估计方法：通过相位估计的方法可以对相位噪声进行建模和矫正，其中包括基于滤波器的相位估计和估计误差等。
这些建模方法可以根据不同的应用场景选择合适的模型，并通过MATLAB进行相应的实现和分析。
相位噪声的实际应用相位噪声在许多科学和工程领域中都有着广泛的应用，其中几个典型的应用领域包括：1.音频信号处理：相位噪声对音频信号的音质有着重要的影响，因此在音频信号处理中通常需要对相位噪声进行建模和补偿。
将振荡器相位噪声转换为时间抖动
(–125dBc/Hz, 100Hz)
f
fs CLOSE-IN BROADBAND f fs SAMPLING CLOCK WITH PHASE NOISE SNR = 20log 10 fo FFT OUTPUT 1 2 π fotj
f
(MEASURED FROM DC TO fs/2) FOR IDEAL ADC WITH N → ∞
RMS PHASE JITTER (radians) 2 π fO
图5：假设仅存在宽带相位噪声的抖动计算示例
晶体振荡器的相位噪声和抖动一般是最低的，图6给出了几个例子以供比较。所示的全部 振荡器都具有20 kHz的1/f转折频率，因此相位噪声代表的是白色相位噪声水平。两个 Wenzel振荡器为固定频率型，性能出色(参考文献9)。利用可变频率信号发生器很难实现 如此高的性能，一个质量相对较高的发生器的性能为–150 dBc，如图所示。
Page 1 of 10
MT-008
采样过程基本上是采样时钟与模拟输入信号的乘法。这是时域中的乘法，相当于频域中的 卷积。因此，采样时钟振荡器的频谱与输入进行卷积，并显示在纯正弦波输入信号的FFT 输出上(见图2)。
ANALOG INPUT, fo
N→∞ IDEAL ADC DSP SNR
fo IDEAL SINEWAVE INPUT
"CLOSE-IN" PHASE NOISE (LIMITS FREQUENCY RESOLUTION)
孔径时间、孔径抖动、孔径延迟时间
MT-007TUTORIAL 孔径时间、孔径抖动、孔径延迟时间——正本清源作者：Walt Kester简介在ADC和采样保持器(SHA)的技术规格中，误解最深、滥用最多的可能是那些包含“孔径”的规格。
图1给出了一个简单的模型，SHA最基本的动态特性是它能够快速断开保持电容与输入缓冲放大器的连接。
一直以来，这一动作所需的极短（但非零）时间间隔称为“孔径时间”（或“采样孔径”）t a。
此间隔结束时电压保持的实际值取决于输入信号压摆率和开关操作本身引入的误差。
图1显示对两个任意斜率的输入信号（分别标为1和2）应用保持命令时的情况。
为清楚起见，采样保持基底误差和开关瞬态忽略不计。
最终保持的值是输入信号的延迟版本，并且是开关孔径时间范围内的平均值。
该一阶模型假设，保持电容上的最终电压值约等于应用于开关的信号在开关从低阻抗变为高阻抗的时间间隔(t a)内的平均值。
图1：采样保持波形和定义该模型显示，开关断开所需的有限时间(t a)相当于在驱动SHA的采样时钟中引入一个小延迟t e。
此延迟为常数，可以是正值，也可以是负值。
图中显示，两个信号虽然斜率不同，但适用同一t e值。
此延迟t e称为“有效孔径延迟时间”、“孔径延迟时间”或“孔径延迟”。
在ADC中，孔径延迟时间参考转换器的输入，必须考虑通过输入缓冲器的模拟传播延迟t da 和通过开关驱动器的数字延迟t dd的影响。
以ADC输入为基准，孔径时间t e'定义为前端缓冲器的模拟传播延迟t da与开关驱动器数字延迟t dd的时间差加上孔径时间的一半t a/2。
有效孔径延迟时间通常为正值，但如果孔径时间的一半t a/2与开关驱动器数字延迟t dd之和小于通过输入缓冲器的传播延迟t da，则它也可以是负值。
因此，孔径延迟规格确定了输入信号相对于采样时钟沿的实际采样时间。
孔径延迟时间可以通过如下方法来测量：对ADC应用一个双极性正弦波信号，然后调整同步采样时钟延迟时间，使得ADC的输出为中间电平（对应于正弦波的零交越点），输入采样时钟沿与输入正弦波实际零交越点之间的相对延迟即为孔径延迟时间，如图2所示。
多通道低相噪同步频率源设计
电路与系统多通道低相噪同步频率源设计胥伟，潘明海，张艳睛(南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京211106)摘要：针对数字射频存储器(Digital Radio Frequency Memory，DRFM)系统在进行对外部输入信号采集时，对高稳频率源需求问题，提出了一种基于两级锁相环的多通道低相噪同步频率源设计方法，实现了6路在2.26〜2600MHz 范围内任意频率信号输出遥通过线性叠加的方法，理论分析了锁相环中相位噪声的模型，并根据相位噪声的来源进行优化设计遥最后对频率源电路杂散和相位噪声进行测试，测试结果表明该频率源电路输出1.25GHz频率时的杂散抑制优于-60dBc，相位噪声抑制优于-104.91dBc/Hz@500kHz遥关键词：频率源；锁相环；相位噪声；杂散中图分类号：TN95文献标识码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200921中文引用格式：胥伟,潘明海,张艳睛.多通道低相噪同步频率源设计[J].电子技术应用，2021,47(3):97-101,114.英文引用格式：Xu Wei,Pan Minghai,Zhang Yanjing.Design of multi-channel low phase noise synchronous frequency source[J]. Application of Electronic Technique,2021,47(3)：97-101,114.Design of multi-channel low phase noise synchronous frequency sourceXu Wei,Pan Minghai,Zhang Yanjing(School of Electronic Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing211106,China) Abstract:In order to meet the requirement of high stability frequency source when DRFM(Digital Radio Frequency Memory)systemcollects external input signals,a design method of multi-channel,low phase noise synchronous frequency source based on two-stage PLL is proposed in this paper.Six channels of arbitrary frequency signal output in the range of2.26〜2600MHz are realized.Through the method of linear superposition,the phase noise model of PLL is analyzed theoretically,and the optimal design is carried out according to the source of phase noise.Finally,the spurious and phase noise of the frequency source circuit are tested.The test results show that the spurious suppression is better than-60dBc and the phase noise suppression is better than-104.91dBc/ Hz@500kHz when the frequency source circuit outputs 1.25GHz frequency.Key words:frequency source；phase locked loop；phase noise；spurious0引言DRFM系统在产生雷达欺骗干扰回波时,需要一个高稳定度的频率源信号用于对外部输入信号的采集与重构。
Agilent——眼图、抖动、相噪
Agilent——眼图、抖动、相噪2009-02-25 22:31随着数据速率超过Gb/s水平，工程师必须能够识别和解决抖动问题。
抖动是在高速数据传输线中导致误码的定时噪声。
如果系统的数据速率提高，在几秒内测得的抖动幅度会大体不变，但在位周期的几分之一时间内测量时，它会随着数据速率成比例提高，进而导致误码。
新兴技术要求误码率(BER)，亦即误码数量与传输的总码数之比，低于一万亿分之一(10-12)。
随着数据通信、总线和底板的数据速率提高，市场上已经出现许多不同的抖动检定技术，这些技术采用各种不同的实验室设备，包括实时数字示波器、取样时间间隔分析仪(TIA)、等时取样示波器、模拟相位检波器和误码率测试仪(BERT)。
为解决高数据速率上难以解决的抖动问题，工程师必需理解同步和异步网络中使用的各种抖动分析技术本文重点介绍3 Gb/s以上新兴技术的数据速率。
低于3 Gb/s的实时示波器可以捕获连续的数据流，可以同时在时域和频域中分析数据流；在更高的数据速率上，抖动分析要更具挑战性。
本文将从数字工程师的角度，介绍应对SONET/SDH挑战的各种经验。
抖动分析基本上包括比较抖动时钟信号和参考时钟信号。
参考时钟是一种单独的黄金标准时钟，或从数据中重建的时钟。
在高数据速率时，分析每个时钟的唯一技术是位检测和误码率测试；其它技术则采用某种取样技术。
如图1所示，眼图是逻辑脉冲的重叠。
它为测量信号质量提供了一种有用的工具，即使在极高的数据速率时，也可以在等时取样示波器上简便生成。
边沿由…1‟到…0‟转换和…0‟到…1‟转换组成，样点位于眼图的中心。
如果电压(或功率)高于样点，则码被标为逻辑…1‟；如果低于样点，则标为…0‟。
系统时钟决定着各个位的样点水平位置。
图1: 具有各项定义的眼图E1是逻辑…1‟的平均电压或功率电平，E0是逻辑…0‟的平均电压或功率电平。
参考点t = 0在左边的交点进行选择，右边的交点及其后是位周期TB。
浅析数字音频抖动
3 频域抖动频谱
52 现代电视技术
2007.8
System Technology
中心技术
衡量。抖动频率是指抖动波形相移的速率。像其他的噪声或 干扰信号一样，抖动调制信号可能是单一、有规律的正弦波 信号、合成的波形、或是完全随机的信号。
三 抖动的 分析
4
1. 时域模型
在时域中，将
采样抖动视为引入
幅度误差。任何非
数字接口上的抖动源有设备本身产生的固有抖动，也有
位为 kHz：
由于传输电路或者传输电缆引起的数据传输抖动。传输电缆
阻抗的不一致性可能引起高频损耗，使得数字信号脉冲的跳
变时间变长，各脉冲的持续时间相应拖长，从而使相邻脉冲
四 抖动的分类
产生重叠，这将导致脉冲跳变的模糊，引起码间干扰。
图 6 说明受电缆损耗影响的 AES3 波形。灰线代表
调制产物三者间的一种关系。 如果信号在采样时间内发生采样误差，其影响是对信号
进行调制。此过程用数学解释为公式（1）。输出信号是输入 信号在时间上的变化，此变化即为抖动。
（1） 考虑为频率 的正弦抖动与峰峰幅值 J 的乘积。
（
（2）
输入信号为正弦波。 上述公式相结合并重新安排为：
（3）
（4）
抖动幅度（其典型值小于 10 ns）通常比信号幅度（其典 型值大于 40000ns）要小得多。小抖动调制电平的乘积非常 小，在这种情况下，我们可作如下的近似：
DC 信号都会随时
1KHz声音的采样抖动（蓝线是ห้องสมุดไป่ตู้号；浅蓝线是抖动 引入的误差，刻度放大 1000 倍）
间而变化，因此错 误采样时间必然产
生错误幅值。如图 4
所示，幅度误差与音频信号的变化率、坡度成比例，对于高
时间抖动（jitter）的概念及其分析方法
时间抖动(jitter)的概念及其分析方法随着通信系统中的时钟速率迈入GH z级，抖动这个在模拟设计中十分关键的因素，也开始在数字设计领域中日益得到人们的重视。
在高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。
不仅如此，它还会导致通信链路的误码率增大，甚至限制A/D转换器的动态范围。
有资料表明在3GH z以上的系统中，时间抖动（jitter）会导致码间干扰（ISI），造成传输误码率上升。
在此趋势下，高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。
本文向数字设计师们介绍了抖动的基本概念，分析了它对系统性能的影响，并给出了能够将相位抖动降至最低的常用电路技术。
本文介绍了时间抖动（jitter）的概念及其分析方法。
在数字通信系统，特别是同步系统中，随着系统时钟频率的不断提高，时间抖动成为影响通信质量的关键因素。
关键字：时间抖动、jitter、相位噪声、测量时间抖动的概念在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号（以1MHz为例）的持续时间应该恰好是1us，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。
这种不确定就是抖动。
抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。
在绝大多数文献和规范中，时间抖动（jitter）被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差，所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走（wander），而将变化较快的成分定义为时间抖动（jitter）。
图1 时间抖动示意图1．时间抖动的分类抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动。
相位噪声指标
相位噪声指标一、相位噪声的定义和作用1.1 什么是相位噪声相位噪声是指信号的相位随时间变化的不稳定性，是信号中包含的相位抖动或相位变化的度量。
相位噪声通常由于外界干扰、器件非线性、时钟抖动等因素引起，会对通信、雷达、导航、测量等领域的系统性能产生重要影响。
1.2 相位噪声的作用相位噪声直接影响到信号的频谱特性和时域波形，对于各种通信系统的性能有着重要的影响。
在无线通信中，相位噪声会导致信号的频谱扩展、信号传输距离的限制以及误码率的提高。
在雷达和导航系统中，相位噪声会导致目标距离和速度的测量误差增大，降低系统的精度和灵敏度。
二、相位噪声指标的定义和分类2.1 相位噪声指标的定义相位噪声指标是对相位噪声进行量化和描述的参数。
常见的相位噪声指标有相位噪声功率谱密度、相位噪声功率、相位噪声系数等。
2.2 相位噪声指标的分类根据测量相位噪声的方法和对象的不同，相位噪声指标可以分为以下几类： 1. 绝对相位噪声指标：用来描述信号的绝对相位噪声，常见的指标有相位噪声功率谱密度和相位噪声功率。
2. 相对相位噪声指标：用来描述信号之间的相对相位噪声，常见的指标有相位噪声系数和相位抖动。
三、常见相位噪声指标的计算和分析3.1 相位噪声功率谱密度相位噪声功率谱密度（Phase Noise Power Spectral Density）是描述信号相位噪声频谱特性的重要指标，通常用单位频率内的相位噪声功率表示。
计算相位噪声功率谱密度的方法有多种，常见的方法有功率谱法、自相关法和相位差法。
3.2 相位噪声功率相位噪声功率（Phase Noise Power）是指信号中相位噪声功率谱密度在一定频率范围内的积分值。
相位噪声功率是评估信号稳定性的重要参数，一般以dBc/Hz为单位进行表示。
3.3 相位噪声系数相位噪声系数（Phase Noise Coefficient）是指信号频率偏移一个固定偏移量时，相位噪声功率谱密度的变化量。
相位噪声定义
相位噪声定义相位噪声是指信号的相位在一定时间范围内随机变化的现象。
在通信系统、雷达系统、测量系统等领域中，相位噪声是一个重要的性能指标，对系统的性能和精度有着重要影响。
1. 相位噪声的概念与表征相位噪声可以看作是频率稳定度的一种表现形式。
频率稳定度是指信号在时间上保持稳定的能力，而相位噪声则体现了信号相位随时间变化的不确定性。
通常情况下，我们用相位噪声谱密度来描述信号中存在的相位噪声。
相位噪声谱密度表示了单位频率范围内单位功率内所含有的相位变化。
常用单位为rad^2/Hz。
2. 相位噪声源在实际应用中，相位噪声主要来自以下几个方面：2.1 振荡器本身振荡器是产生高精度时钟信号或者参考信号的关键组件，而振荡器本身会引入一定的相位噪声。
这主要由于振荡器元件（如晶体谐振器、铁氧体谐振器等）的非线性特性和噪声产生机制引起的。
2.2 环境因素环境因素也会对信号的相位稳定性产生影响，如温度变化、机械振动、电磁干扰等。
这些因素会引入额外的相位噪声，降低系统的性能。
2.3 电路和系统设计电路和系统设计中存在的不完美因素也会导致相位噪声。
例如，不稳定的时钟分频电路、功率放大器等都可能引入相位噪声。
3. 相位噪声的影响相位噪声对于各种通信和测量系统都有重要意义，它会直接影响系统的性能和精度。
以下是几个常见领域中相位噪声的影响：3.1 通信系统在通信系统中，相位噪声会导致信号传输质量下降，增加误码率。
特别是在高速数据传输中，相位噪声对于时钟恢复和信号解调等关键步骤有着重要影响。
3.2 雷达系统雷达系统需要精确测量目标物体的距离和速度，而相位噪声会影响测量的准确性。
对于高精度雷达系统来说，降低相位噪声是提高测量精度的关键。
3.3 测量系统在科学实验和工程测量中，相位噪声会影响测量结果的准确性。
例如，在频率计、频谱仪等测量设备中，相位噪声会导致频率测量误差增大。
4. 相位噪声的抑制与衡量为了降低相位噪声对系统性能的影响，我们需要采取一些抑制措施。
相位噪声——精选推荐
相位噪声
对一个给定载波功率的输出频率来说，相位噪声是载波功率相对于给定的频率偏移处（频率合成器通常定义1kHz频率偏移）1-Hz的带宽上的功率，单位为 dBc/Hz@offset frequency。
锁相环频率合成器的带内相位噪声主要取决于频率合成器，VCO的贡献很小。
相位噪声的测量需要频谱分析仪。
注意一点，普通频谱分析仪读出的数据需要考虑分辨带宽的影响。
即，频谱分析仪的读数减掉10log （RBW）才是正确的相位噪声数值。
高端的频谱分析仪往往可以直接给出单边带相位噪声。
相位噪声是信号在频域的度量。
在时域，与之对应的是时钟抖动（jitter），它是相位噪声在时间域里的反映，大的时钟抖动在高速ADC应用中会严重恶化采样数据的信噪比，尤其是当ADC模拟前端信号的频率较高时，更是要求低抖动的时钟。
图1形象地描述了时钟抖动。
图表 1 相位噪声和时钟抖动
时钟抖动可以通过相位噪声积分得到，具体实现如下如下：计算从给定的起始频率偏移处到结束频率（通常定义为两倍输出频率）偏移处的相位噪声和A，单位为 dBc；对A进行取对数操作；求相位抖动均方值（rms phase jitter），单位为弧度；将弧度值转换成时间单位，秒或者皮秒。
图表 2. 时钟抖动与相位噪声和白噪声之间的关系。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
时钟抖动和相位噪声对采样系统的影响时钟抖动是指时钟信号的频率波动或不稳定性，而相位噪声是指时钟
信号中相位的随机波动。
在采样系统中，时钟抖动和相位噪声会对其性能
产生一定的影响。
首先，我们来看时钟抖动对采样系统的影响。
时钟抖动可能导致时间
间隔的不准确性，从而使得采样时间点存在偏差，进而导致采样结果的失真。
时钟抖动会引入抖动噪声，使得采样信号的频谱产生扩展。
当时钟抖
动频谱与被采样信号的频谱重叠时，抖动噪声就会造成重叠失真。
此外，
时钟抖动还会导致采样间隔的不稳定性，进而影响采样系统的稳定性和性能。
为了降低时钟抖动的影响，可以采用低抖动时钟源、时钟锁相环等技
术手段。
其次，相位噪声也会对采样系统产生影响。
相位噪声会引入相位抖动，使得采样时钟信号的相位发生随机变化。
相位抖动会使得采样时钟与被采
样信号的相位不匹配，进而导致采样结果的失真。
与时钟抖动类似，相位
噪声也会使得采样信号的频谱产生扩展，从而引入抖动噪声和重叠失真。
为了降低相位噪声的影响，可以采用相位锁定环、数字时钟恢复等技术手段。
总的来说，时钟抖动和相位噪声共同对采样系统产生影响。
它们会引
入采样误差，使得采样结果发生畸变、频谱扩展、信噪比下降等问题。
尤
其是当时钟抖动和相位噪声达到一定水平时，会导致采样系统无法正常工作。
因此，在设计采样系统时，需要选择合适的时钟源，并采取相应的电
路和算法措施，以降低时钟抖动和相位噪声的影响。
总结起来，时钟抖动和相位噪声对采样系统的影响主要体现在频谱扩展、抖动噪声、重叠失真等方面。
为了降低其影响，应选择低抖动时钟源，采用锁相环、相位锁定环等技术手段，并加强对时钟信号的稳定性和准确
性的控制。
只有有效地控制时钟抖动和相位噪声，采样系统才能获得更好
的性能和更准确的采样结果。