如何对高速PCB设计信号进行相位噪声测量

2020-07-04

PCB中有(yǒu)很(hěn)多(duō)噪声源，而相位噪声可(kě)能(néng)是很(hěn)难固定在实际板上的噪声源之一。如果要调试具有(yǒu)高BER的高速電(diàn)路板，则可(kě)能(néng)需要从出现故障的電(diàn)路板部分(fēn)或时钟中收集相位噪声测量值。

不必太深入系统的IC端，相位噪声可(kě)能(néng)就是您正在使用(yòng)的组件的固有(yǒu)属性，例如SerDes组件内部的PLL。在其他(tā)情况下，電(diàn)路板中的其他(tā)组件，布局甚至基板都会造成随机信号倾斜。当此抖动的来源不明显时，您将想要收集可(kě)疑组件的相位噪声测量值，既可(kě)以作為(wèi)单独的DUT，也可(kě)以在可(kě)疑板上使用(yòng)。

什么是相位噪声和抖动？

大多(duō)数数字设计人员使用(yòng)术语“抖动”来指代定时噪声，其中在互连上发射信号的时间有(yǒu)所不同。模拟设计师更可(kě)能(néng)使用(yòng)术语“相位噪声”，这意味着模拟信号与其参考噪声之间的相位差会随机变化。这些术语相互关联并且指的是同一件事：时域（抖动）或频域（相位噪声）中信号时序的变化。

在频域中，相位噪声测量可(kě)能(néng)类似于下图所示。在此，以f0的载波频率发出信号，而在f1处以较弱的频率发出信号。f0上存在相位噪声会有(yǒu)效地增加信号的带宽并提高本底噪声。如果f1处的信号足够弱，则该信号将隐藏在f0的相位噪声之后。

频域中的示例相位噪声测量

抖动是在时域中看到的相位噪声的表现。抖动可(kě)以直接在眼图中看到，并且易于识别。通常，RMS抖动是用(yòng)于量化可(kě)接受的BER值的重要参数是什么促使需要进行相位噪声测量？如果您使用(yòng)的是数字系统，并且在眼图中发现抖动，则需要确定会导致设备抖动的最强相位噪声源。诊断模拟信号的相位噪声就像将额定带宽与测量的带宽进行比较一样简单。

上面的最后一点表示可(kě)以预期在系统中看到的相位噪声的下限。如果相位噪声似乎是一个问题，请检查数据表中的时钟/参考振荡器。如果固有(yǒu)的振荡器噪声占您测得的相位噪声的大部分(fēn)，那么您可(kě)能(néng)只需要一个更稳定的振荡器/ PLL。

可(kě)以使用(yòng)带有(yǒu)近场探头的频谱分(fēn)析仪直接从板上采集相位噪声测量值。相位噪声也可(kě)以通过使用(yòng)测试夹具连接到DUT的频谱分(fēn)析仪进行测量（确保对连接器的S参数进行去嵌入）。在这里，您正在测量功率谱密度，因此，您测量的相位噪声是测量带宽的函数。公认的标准是在1 Hz带宽内收集连续的测量值。

在解释相位噪声测量值时，您的目标是确定最突出的噪声源，并逐步减少它们。产生抖动的四种常见相位噪声源是：

源组件的PDN上的瞬态振铃过多(duō)。衡量这一点无害。

噪声从开关模式電(diàn)源耦合到数据流或系统时钟。

热噪声：在较高温度下，相位噪声会更大。散粒噪声和1 / f噪声也很(hěn)重要。

基板介電(diàn)常数的较大变化。通过使用(yòng)具有(yǒu)更紧密纤维编织的基材来解决此问题。

参考振荡器固有(yǒu)的相位噪声，或系统时钟固有(yǒu)的抖动。在带有(yǒu)PLL的超快速系统中，通常会减少这些误差。

这里的目标是确定最主要的相位噪声源，并首先将其降低。如果这使您的系统符合规范，请考虑完成您的工作。无论您的时钟/参考振荡器的Q值是多(duō)少，系统中总会有(yǒu)一定的相位噪声。但是，如果您可(kě)以在规格范围内获得BER值或其他(tā)性能(néng)要求，那么您就可(kě)以成功完成工作。

您可(kě)以在相位噪声图中直观地发现罪魁祸首，并将其与電(diàn)路板上的已知噪声源进行比较。下面显示了带有(yǒu)多(duō)个相位噪声杂散的示例测量。

相位噪声测量数据[图像源

请注意，上图中的强烈毛刺是由多(duō)种原因引起的。可(kě)以将上述噪声与電(diàn)路板上相关组件的参考规格进行比较。可(kě)以通过以-10 dBc / Hz的斜率穿过相位噪声规范点来画一条線(xiàn)来完成。超过此線(xiàn)的噪声频谱的任何部分(fēn)都将落在允许的相位噪声容限之外，并且需要在设计中加以抑制。

可(kě)以使用(yòng)以下公式根据RMS相位抖动值来量化可(kě)接受的相位噪声電(diàn)平。请注意，L（f）是对数相位噪声数据，因此10的奇数因子出现在积分(fēn)中，以将其转换回線(xiàn)性数据集。此处的积分(fēn)取自相关信号范围。

根据数据计算出的RMS相位噪声