數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件 在光纖等模擬傳輸介質(zhì)之間形成橋梁 光學(xué)、微波、射頻和數(shù)字處理模塊，如 FPGA。 和 DSP。 系統(tǒng)設(shè)計人員通常專注于選擇最 適合應(yīng)用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器要少得多 可以考慮時鐘代的選擇 提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)備。種類繁多的時鐘發(fā)生器 提供具有廣泛不同的性能屬性。 但是，如果不仔細(xì)考慮時鐘發(fā)生器，相位 噪聲和抖動性能特征，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器， 動態(tài)范圍和線性度性能會受到嚴(yán)重影響。 本文討論了時鐘發(fā)生器的影響、相位噪聲、 以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍和線性度的抖動 （ADC 和 DAC）詳細(xì)介紹。時鐘抖動的理論分析 給出了轉(zhuǎn)換器信噪比并提供仿真結(jié)果 使用ADI公司的高性能時鐘發(fā)生器。

ADI公司開發(fā)了獨(dú)特的高性能時鐘系列 支持系統(tǒng)設(shè)計人員的配電和時鐘生成產(chǎn)品 以最大限度地提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能。The HMC1032LP6GE HMC1034LP6GE是SMT封裝時鐘發(fā)生器，它們是 適用于各種高性能蜂窩/4G 基礎(chǔ)設(shè)施、光纖 光學(xué)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，并提供一流的抖動和 業(yè)界領(lǐng)先的相位本底噪聲。HMC987LP5E 1：9扇出緩沖器 非常適合作為關(guān)鍵應(yīng)用中的時鐘驅(qū)動器，具有超低噪聲 ?166 dBc/Hz 的底線。這些器件的主要規(guī)格如 表 1 和 2.

系統(tǒng)注意事項(xiàng)

利用MIMO（多輸入）的典型LTE（長期演進(jìn)）基站 多輸出）架構(gòu)如圖 1 所示。該架構(gòu)包括 多個發(fā)射器、接收器和DPD（數(shù)字預(yù)失真）反饋路徑。 各種發(fā)射器/接收器組件，例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC/ DAC）和本振（LO）需要低抖動參考時鐘來改善 性能。其他基帶組件也需要各種時鐘源 頻率。

圖1.采用 MIMO 架構(gòu)的典型 LTE 基站的時鐘定時解決方案。

用于實(shí)現(xiàn)基站間同步的時鐘源通常 來自GPS（全球定位系統(tǒng)）或CPRI（普通公共無線電） 接口）鏈接。這種源通常具有出色的長期頻率穩(wěn)定性; 但是，它需要頻率轉(zhuǎn)換為所需的本地參考 頻率具有出色的短期穩(wěn)定性或抖動。高性能時鐘 發(fā)生器，如HMC1032LP6GE，執(zhí)行頻率轉(zhuǎn)換 并提供低抖動時鐘信號，然后可以將其分配給各種 基站組件。選擇最佳時鐘發(fā)生器至關(guān)重要 因?yàn)榇蝺?yōu)參考時鐘會導(dǎo)致較高的LO相位噪聲， 導(dǎo)致更高的發(fā)射/接收EVM（誤差矢量幅度）和系統(tǒng) 信噪比（信噪比）。高時鐘抖動和本底噪聲也會影響數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換器通過降低系統(tǒng)信噪比，并引入雜散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 輻射，從而進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器SFDR（無雜散） 動態(tài)范圍）。因此，最終需要低性能時鐘源 降低系統(tǒng)容量和吞吐量。

時鐘發(fā)生器規(guī)格

雖然時鐘抖動有多種定義，但最適用的定義 在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中是相位抖動，以時域指定 PS RMS 或 FS RMS 的單位。相位抖動 （PJBW） 是由 在特定偏移范圍內(nèi)對時鐘信號的相位噪聲進(jìn)行積分 從載波，由以下等式給出：

f時鐘是操作的頻率;f最低/f.MAX指示感興趣的帶寬， 和 S（f時鐘） 表示 SSB 相位噪聲。的上限和下限 積分帶寬 （f最低/f.MAX） 對于每個應(yīng)用程序都是唯一的，并且由 設(shè)計將敏感的相關(guān)光譜內(nèi)容。設(shè)計師的 目標(biāo)是選擇集成噪聲最低的時鐘發(fā)生器， 或所需帶寬中的相位抖動。傳統(tǒng)上，時鐘發(fā)生器是 特點(diǎn)是積分超過 12 kHz 至 20 MHz，這是指定的 對光通信接口（如 SONET）的要求。雖然這 可能適用于某些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，范圍更廣 通常需要集成，特別是擴(kuò)展到 20 MHz 以上才能捕獲 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣時鐘的相關(guān)噪聲曲線。 測量相位噪聲時，噪聲偏移遠(yuǎn)離載波頻率。 例如，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣的實(shí)際時鐘頻率為 通常稱為遠(yuǎn)離載波相位噪聲。這種噪聲的極限是 通常稱為相位本底噪聲，如圖2所示。這個數(shù)字 顯示了ADI公司HMC1032LP6GE時鐘發(fā)生器的實(shí)際測量曲線。 相位本底噪聲在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中顯得尤為重要 由于轉(zhuǎn)換器SNR對寬帶的敏感性的應(yīng)用 時鐘輸入端的噪聲。當(dāng)設(shè)計人員評估時鐘發(fā)生器選項(xiàng)時， 必須將相位本底噪聲性能視為關(guān)鍵基準(zhǔn)。

圖2.HMC1032LP6GE的相位噪聲和抖動性能

圖2顯示了12 kHz范圍內(nèi)~112 fs rms的積分相位抖動 至 20 MHz 積分帶寬，相位噪底為 ~–168 dBc/Hz 工作頻率為 ~160 MHz 時。這里值得注意的是，當(dāng) 考慮最適合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的時鐘發(fā)生器， 設(shè)計人員不僅應(yīng)參考 頻域，還可以進(jìn)行時鐘信號質(zhì)量測量，如占空比 時域中的周期和上升/下降時間。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能

為了描述時鐘噪聲對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能影響， 轉(zhuǎn)換器可以被認(rèn)為是數(shù)字混音器，但有細(xì)微的區(qū)別。 在混頻器中，LO的相位噪聲被添加到被混合的信號中。在 一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 時鐘的相位噪聲施加在轉(zhuǎn)換 輸出，但被信號與時鐘頻率的比值抑制。這 時鐘抖動會導(dǎo)致采樣時間錯誤，表現(xiàn)為 信噪比降低。

時間抖動，T抖動，只是采樣時間內(nèi)的均方根誤差，表示 在幾秒鐘內(nèi)。

在某些應(yīng)用中，可以使用時鐘濾波器來減少時鐘的抖動 信號，但這種方法有明顯的缺點(diǎn)：

濾波器可以消除時鐘信號的寬帶噪聲，但窄帶噪聲仍然存在。

濾波器的輸出通常是正弦波輸出，壓擺率較慢，這會影響時鐘信號對時鐘路徑中內(nèi)部噪聲的敏感性。

濾波器消除了改變時鐘頻率以實(shí)現(xiàn)多種采樣速度架構(gòu)的靈活性。

更實(shí)用的方法是使用具有快速轉(zhuǎn)換的低噪聲時鐘驅(qū)動器 速率和高輸出驅(qū)動能力，以最大限度地提高時鐘信號的斜率。 此方法優(yōu)化性能的原因如下：

消除時鐘濾波器可降低設(shè)計復(fù)雜性和元件數(shù)量。

快速上升時間可抑制ADC時鐘路徑內(nèi)部的噪聲。

窄帶和寬帶噪聲都可以通過選擇最佳時鐘源來優(yōu)化

可編程時鐘發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)不同的采樣率，這使得該解決方案更能適應(yīng)不同的應(yīng)用。

極低的時鐘本底噪聲至關(guān)重要。時鐘抖動噪聲遠(yuǎn)離載波 在ADC中采樣，并折疊到ADC數(shù)字輸出頻率中 樂隊(duì)。該頻段受奈奎斯特頻率的限制，奈奎斯特頻率的定義如下：

時鐘抖動通常由 模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘信號。雖然ADC的SNR性能取決于各種 因素，時鐘信號的寬帶抖動的影響由下式給出 以下等式：

如圖所示，與混頻器不同，時鐘抖動的SNR貢獻(xiàn)是直接的 與模擬輸入頻率成正比，f在，到ADC。

驅(qū)動ADC時，時鐘噪聲受時鐘帶寬的限制 驅(qū)動器路徑，通常由ADC時鐘輸入電容主導(dǎo)。 寬帶時鐘噪聲將調(diào)制大輸入信號，并將折疊成 模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出頻譜。時鐘路徑的相位噪聲會降低 輸出SNR與輸入信號的幅度和頻率成正比。 最壞的情況是當(dāng)存在大高頻信號時 一個小信號。

在現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)中，通常情況是多個 載波信號存在于輸入中，感興趣的單個信號是 在DSP中濾波以匹配信號帶寬。在許多情況下，一個大的， 一個頻率的不需要的信號會與時鐘噪聲混合并降低性能 ADC通帶中其他頻率下的可用SNR。在這樣的一個 在這種情況下，感興趣的SNR是所需信號帶寬中的SNR。另外 信噪比抖動上面的值實(shí)際上是相對于最大振幅 信號，通常是不需要的信號或阻塞器。

目標(biāo)信號頻帶內(nèi)的輸出噪聲由下式?jīng)Q定：

計算時鐘噪聲較大且較大時的ADC性能下降 給定輸入頻率下的不需要的信號;例如，計算 ADC全帶寬中的信噪比。

使用所需信號帶寬相對于完整帶寬的比率 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬，用于計算所需信號中的SNR 帶寬。

根據(jù)不需要的信號的幅度提高值 低于滿量程。

步驟b的結(jié)果只是將先前顯示的SNR方程修改為： 遵循：

信 噪 比抖動：SNR貢獻(xiàn)時鐘抖動，進(jìn)入fBW，在頻率鰭片存在大信號的情況下，采樣率，fs。

f在：滿量程不需要的信號的輸入頻率，以赫茲為單位。

T抖動：ADC 時鐘的輸入抖動，以秒為單位。

fBW：所需輸出信號的帶寬，以 Hz 為單位。

fs：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣率，單位：Hz。

信 噪 比直流：帶直流輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的信噪比，單位為dB

最后，在目標(biāo)信號頻帶中可用的最大SNR，具有 全量程阻塞器的存在，只是抖動和噪聲功率的總和 DC貢獻(xiàn)。

例如，500 MSPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，在直流時ENOB為12.5位，或 相當(dāng)于 75 dB SNR，在采樣率一半的帶寬上進(jìn)行評估， 在 250 兆赫時。如果目標(biāo)信號的寬度為 5 MHz，則 SNR 可能接近 直流，在具有完美時鐘的 5 MHz 帶寬中，將為 75 + 10 × log10（250/5） = 92 dB。

但是，ADC時鐘并不完美，圖3顯示了 5 MHz 所需信號帶寬的衰減，作為 在 x 軸上的頻率處輸入大的不需要的信號。的影響 隨著時鐘抖動的增加，不需要的信號更加嚴(yán)重，并且隨著 輸入頻率增加。如果不需要的信號的幅度減小， 可用的信噪比將按比例增加。

例如，對滿量程、5 MHz 不需要的 W-CDMA 信號進(jìn)行采樣 在 200 MHz 輸入下，具有高質(zhì)量的 500 MHz 時鐘，例如 HMC1034LP6GE在整數(shù)模式下運(yùn)行時具有70 fs抖動，然后 附近5 MHz信道中的SNR約為91 dB。相反，如果 時鐘抖動降低到500 fs，相同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和信號將 僅表現(xiàn)出 81 dB 的 SNR，這表示 性能。

以400 MHz（70 fs時鐘）將相同的信號輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 將產(chǎn)生 88 dB 的信噪比。同樣，對于 500 fs 時鐘，SNR 值 將降級到僅 75 dB。

圖3.ADC SNR 與時鐘抖動和輸入頻率的關(guān)系

結(jié)論

為時鐘生成和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換選擇正確的組件 使設(shè)計人員能夠從給定的體系結(jié)構(gòu)中提取最佳性能。 選擇時鐘發(fā)生器時要考慮的重要標(biāo)準(zhǔn)是相位 抖動和相位本底噪聲，影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的SNR 打卡。如分析所示，所選的低相位本底噪聲 時鐘發(fā)生器及其低集成相位抖動有助于最大限度地減少 在多載波應(yīng)用中，ADC 輸入頻率較高時 SNR 會降低。 HMC1032LP6GE和HMC1034LP6GE時鐘發(fā)生器均采用設(shè)計 考慮到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，并與ADI的高速配合良好 模數(shù)轉(zhuǎn)換器器件。

審核編輯：郭婷