《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 業(yè)界動態(tài) > 技術(shù)文章—選擇時(shí)鐘發(fā)生器應(yīng)該注意的2個指標(biāo)

技術(shù)文章—選擇時(shí)鐘發(fā)生器應(yīng)該注意的2個指標(biāo)

2019-07-09

  系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常側(cè)重于為應(yīng)用選擇最合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,,在向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供輸入的時(shí)鐘發(fā)生器件的選擇上往往少有考慮。然而,,如果不慎重考慮時(shí)鐘發(fā)生器的相位噪聲和抖動性能,,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍和線性度性能可能受到嚴(yán)重的影響。

  系統(tǒng)考慮因素

  采用MIMO (多輸入多輸出)架構(gòu)的典型LTE (長期演進(jìn))基站如圖1所示,該架構(gòu)由多個發(fā)射器,、接收器和DPD (數(shù)字預(yù)失真)反饋路徑構(gòu)成,。各種發(fā)射器/接收器組件(如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC))和本振(LO)要求采用低抖動參考時(shí)鐘以提高性能。其他基帶組件也要求各種頻率的時(shí)鐘源,。

  

1562637151508433.jpeg

  圖1.面向采用MIMO架構(gòu)的典型LTE基站的時(shí)鐘時(shí)序解決方案

  用于實(shí)現(xiàn)基站間同步的時(shí)鐘源一般來自GPS (全球定位系統(tǒng))或CPRI (通用公共射頻接口)鏈路,。這種源一般擁有優(yōu)秀的長期頻率穩(wěn)定性;但它要求把頻率轉(zhuǎn)換成所需的本地參考頻率,,以實(shí)現(xiàn)良好的短期穩(wěn)定性或抖動,。高性能時(shí)鐘發(fā)生器可執(zhí)行頻率轉(zhuǎn)換操作并提供低抖動時(shí)鐘信號,在此基礎(chǔ)上,,這些信號可能會分配給各種基站組件,。選擇最佳時(shí)鐘發(fā)生器至關(guān)重要,因?yàn)榍芳褏⒖紩r(shí)鐘會增高LO相位噪聲,,結(jié)果會提高發(fā)射/接收EVM(誤差矢量幅度)和系統(tǒng)SNR(信噪比),。高時(shí)鐘抖動和噪底也會影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,因?yàn)樗鼤档拖到y(tǒng)SNR并導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器雜散輻射,,從而進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的SFDR(無雜散動態(tài)范圍),。結(jié)果,低性能時(shí)鐘源最終會降低系統(tǒng)容量和吞吐量,。

  時(shí)鐘發(fā)生器技術(shù)規(guī)格

  盡管關(guān)于時(shí)鐘抖動的定義多種多樣,,但在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中,最合適的定義是相位抖動,,其單位為時(shí)域ps rms或fs rms,。相位抖動(PJBW)是通過時(shí)鐘信號相位噪聲在載波特定偏移范圍內(nèi)的積分推導(dǎo)出來的抖動,計(jì)算公式如下:

  

2.png

  fCLK為工作頻率,;fMIN/fMAX表示目標(biāo)帶寬,,S(fCLK)表示SSB相位噪聲。積分帶寬的上限和下限(fMIN/fMAX)因具體應(yīng)用而異,,取決于設(shè)計(jì)敏感的相關(guān)頻譜成分,。設(shè)計(jì)師的目標(biāo)是選擇所需帶寬中的積分噪聲最低或者相位抖動最低的時(shí)鐘發(fā)生器。傳統(tǒng)上,,時(shí)鐘發(fā)生器的特性是在12kHz至20MHz積分條件下測得的,,這也是光學(xué)通信接口(如SONET)的指定要求。雖然這可能適用于一些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用,,但要捕獲高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘的相關(guān)噪聲曲線,,通常需要更寬的積分頻譜,具體是指20MHz以上,。在測量相位噪聲時(shí),,噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離載波頻率。

  例如,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣實(shí)際使用的時(shí)鐘頻率一般稱為遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離載波相位噪聲,。該噪聲的限值通常稱為相位噪底,,如圖2所示。該圖所示為ADI HMC1032LP6GE時(shí)鐘發(fā)生器的實(shí)際測量圖,。相位噪底在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中顯得格外重要,,其原因在于轉(zhuǎn)換器SNR對其時(shí)鐘輸入端的寬帶噪聲極其敏感。當(dāng)設(shè)計(jì)師評估時(shí)鐘發(fā)生器選項(xiàng)時(shí),,必須把相位噪底性能作為一項(xiàng)關(guān)鍵基準(zhǔn)指標(biāo)。

  

3.jpeg

  圖2.HMC1032LP6GE的相位噪聲和抖動性能

  在圖2中,,工作頻率為~160MHz時(shí),,積分相位抖動為~112fs rms,積分帶寬為12 kHz至20MHz,,相位噪底為~–168dBc/Hz,。這里值得注意的是,在為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器選擇最合適的時(shí)鐘發(fā)生器時(shí),,設(shè)計(jì)師不僅要參考頻域的相位噪聲測量值,,同時(shí)也要參考時(shí)域的時(shí)鐘信號質(zhì)量測量值,比如占空比,、上升/下降時(shí)間,。

  數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能

  為了描述時(shí)鐘噪聲對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的影響,不妨將轉(zhuǎn)換器視為一個數(shù)字混頻器,,二者僅存在一個細(xì)微差異,。在混頻器中,LO的相位噪聲將添加到被混頻的信號中,。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中,,時(shí)鐘的相位噪聲將疊加到轉(zhuǎn)換輸出中,但受信號與時(shí)鐘頻率之比的抑制,。時(shí)鐘抖動會導(dǎo)致采樣時(shí)間錯誤,,表現(xiàn)為SNR下降。(時(shí)間抖動(T抖動)即是采樣時(shí)間中的rms誤差,,單位為秒)

  在有些應(yīng)用中,,可能會利用時(shí)鐘濾波器來減少時(shí)鐘信號的抖動,但這種方法存在顯著的缺陷:

  濾波器雖然可能會消除時(shí)鐘信號的寬帶噪聲,,但窄帶噪聲卻保持不變,。

  濾波器的輸出通常是一個類似于正弦波的慢壓擺率,會影響時(shí)鐘信號對時(shí)鐘路徑內(nèi)部噪聲的敏感度,。

  濾波器消除了靈活性,,無法更改時(shí)鐘頻率以實(shí)施多個采樣速率架構(gòu)。

  一種更實(shí)際的辦法是用一個擁有快壓擺率和高輸出驅(qū)動能力的低噪聲時(shí)鐘驅(qū)動器來最大化時(shí)鐘信號的斜率。這種方法可以優(yōu)化性能,,原因如下:

  消除時(shí)鐘濾波器之后可以降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,,減少組件數(shù)量。

  快速上升時(shí)間會抑制ADC時(shí)鐘路徑內(nèi)部的噪聲,。

  窄帶和寬帶噪聲都可以通過選擇最佳時(shí)鐘源來優(yōu)化,。

  可編程時(shí)鐘發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)不同的采樣速率,因而可以增加解決方案對不同應(yīng)用的適應(yīng)能力,。

  超低時(shí)鐘噪底至關(guān)重要,。遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離載波的時(shí)鐘抖動噪聲在ADC中采樣,并疊加進(jìn)ADC數(shù)字輸出頻段中,。該頻段受奈奎斯特頻率限制,,后者定義為:

  

4.png

  時(shí)鐘抖動通常由ADC時(shí)鐘信號的寬帶白噪底所主導(dǎo)。雖然ADC的SNR性能取決于多種因素,,但時(shí)鐘信號寬帶抖動的影響由下式?jīng)Q定:

  

5.png

  如上式所示,,與混頻器不同,時(shí)鐘抖動的SNR貢獻(xiàn)與ADC模擬輸入頻率(fIN)成正比,。

  在驅(qū)動ADC時(shí),,時(shí)鐘噪聲受時(shí)鐘驅(qū)動器路徑中的帶寬限制,一般由ADC時(shí)鐘輸入電容主導(dǎo),。寬帶時(shí)鐘噪聲會調(diào)制較大的輸入信號并疊加進(jìn)ADC輸出頻譜中,。時(shí)鐘路徑的相位噪聲會降低輸出SNR性能,降幅與輸入信號的幅度和頻率成比例,。最差情況是,,在存在小信號的情況下還存在較大的高頻信號。

  在現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)中,,情況經(jīng)常是,,輸入端存在多個載波信號,然后在DSP中對各目標(biāo)信號進(jìn)行過濾,,以匹配信號帶寬,。在許多情況下,處于一個頻率的較大的無用信號會與時(shí)鐘噪聲混合,,結(jié)果會降低ADC通帶中其他頻率下的可用SNR,。在這種情況下,目標(biāo)SNR為所需信號帶寬中的SNR,。另外,,上面的SNRJITTER值實(shí)際上是相對于最大信號(通常是一個無用信號或阻塞信號)的幅度的。

  所需目標(biāo)信號頻段中的輸出噪聲取決于:

  在給定輸入頻率下,,計(jì)算時(shí)鐘噪聲和較大無用信號條件下ADC性能的降幅,;例如,,計(jì)算ADC全帶寬中的SNR。

  用所需信號帶寬與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器全帶寬之比計(jì)算所需信號帶寬中的SNR,。

  基于無用信號在滿量程以下的幅度增大該值,。

  步驟b的結(jié)果只是為了按以下方式修正前面所示的SNR等式:

  

6.png

  SNRJITTER:在存在頻率為fin的大信號且采樣速率為fs的條件下,時(shí)鐘抖動在帶寬fBW中的SNR貢獻(xiàn),。

  fIN:滿量程無用信號的輸入頻率,,單位為Hz。

  TJITTER:ADC時(shí)鐘的輸入抖動,,單位為秒,。

  fBW:所需輸出信號的帶寬,單位為Hz,。

  fs:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率,,單位為Hz。

  SNRDC:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在直流輸入條件下的SNR,,單位為dB

  最后,在存在滿量程阻塞信號的條件下,,目標(biāo)信號頻段中的最大可用SNR只是抖動與直流貢獻(xiàn)噪聲功率之和,。

  例如,對于ENOB為12.5位(直流)或者SNR為75dB的500MSPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,,則在相當(dāng)于采樣速率一半的帶寬中在250MHz的頻率下進(jìn)行評估,。如果目標(biāo)信號的帶寬為5 MHz,則在接近直流時(shí)的可能SNR (帶寬為5MHz,,時(shí)鐘完美)為75+10×log10 (250/5) =92 dB,。

  然而,ADC時(shí)鐘并不完美,;根據(jù)圖3所示,,在5MHz所需信號帶寬中的性能下降效應(yīng)為x軸頻率下大無用信號輸入的函數(shù)。隨著抖動的增加,,無用信號的影響變得更加嚴(yán)重,,隨著輸入頻率的增加,情況同樣如此,。如果無用信號的幅度下降,,可用SNR將按比例增加。

  

7.jpeg

  圖3.ADC SNR與時(shí)鐘抖動和輸入頻率的關(guān)系

  例如,,如果在200MHz輸入下對一個滿量程5MHz無用W-CDMA信號進(jìn)行采樣,,采用一個高質(zhì)量的500MHz時(shí)鐘(如HMC1034LP6GE),且運(yùn)行于整數(shù)模式下時(shí)抖動為70 fs,,則附近5MHz通道中的SNR約為91dB,。相反,,如果時(shí)鐘抖動降至500fs,則同一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和信號只會表現(xiàn)出81dB的SNR,,相當(dāng)于性能下降10dB,。

  在400MHz下把同一信號輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,70fs的時(shí)鐘會產(chǎn)生88dB的SNR,。類似地,,在500fs的時(shí)鐘下,SNR值會降至僅75dB,。

  綜上所述,,為時(shí)鐘生成和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換選擇正確的組件可使您從給定架構(gòu)中獲得最佳的性能。在選擇時(shí)鐘發(fā)生器時(shí)要考慮的重要標(biāo)準(zhǔn)有相位抖動和相位噪底,,它們會影響被驅(qū)動的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的SNR,。對于選定的時(shí)鐘發(fā)生器,其低相位噪底和低積分相位抖動特性有助于最小化多載波應(yīng)用中SNR性能在較高ADC輸入頻率下的降幅,。


本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),。轉(zhuǎn)載的所有的文章,、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者,。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,,請及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們,,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,。聯(lián)系電話:010-82306118,;郵箱:aet@chinaaet.com。