時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)光纖接入數(shù)字中頻系統(tǒng)的影響分析

摘要：本文根據(jù)光纖接入數(shù)字中頻系統(tǒng)的時(shí)鐘使用情況，分析了時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)ADC和鎖相環(huán)性能影響的原理，講述了鎖相環(huán)的基本原理和相噪優(yōu)化方式，最后給出采用雙環(huán)鎖相環(huán)來(lái)完成去抖和時(shí)鐘分發(fā)的解決方案。

■數(shù)字中頻系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)

　　圖1

　　對(duì)于常見(jiàn)的數(shù)字中頻系統(tǒng)，例如RRU、數(shù)字光纖直放站，遠(yuǎn)端設(shè)備中的時(shí)鐘信號(hào)都是從近端通過(guò)光纖傳輸過(guò)來(lái)的，由于光纖傳輸?shù)纳⒂绊?，原有時(shí)鐘參考信號(hào)在通過(guò)光口芯片恢復(fù)出來(lái)后，其抖動(dòng)指標(biāo)會(huì)惡化。而在遠(yuǎn)端設(shè)備中(如圖1)，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)將會(huì)作為整個(gè)系統(tǒng)的參考時(shí)鐘，包括ADC，DAC，調(diào)制器和鎖相環(huán)等等。如果這個(gè)參考時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)性能不佳，將會(huì)造成系統(tǒng)中上述器件的性能惡化。所以在光纖接入的數(shù)字中頻系統(tǒng)中，時(shí)鐘抖動(dòng)設(shè)計(jì)非常重要。

　　■時(shí)鐘相噪對(duì)ADC性能的影響分析

　　對(duì)于數(shù)字中頻系統(tǒng)中的ADC，SNR指標(biāo)是我們非常關(guān)注的指標(biāo)之一。這個(gè)指標(biāo)會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。我們知道一般一款設(shè)計(jì)好的高速ADC，它的SNR基本是確定。比如AD6649手冊(cè)給出在95MHz帶寬和245.76MSPS采樣率的條件下，SNR為73.4dBFs。而這個(gè)指標(biāo)的前提是ADC的參考時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)非常好，如果系統(tǒng)提供給ADC的時(shí)鐘抖動(dòng)不好，則會(huì)惡化實(shí)際SNR水平。如圖2，實(shí)際SNR取決于系統(tǒng)工作頻率和時(shí)鐘抖動(dòng)。

　　圖2

　　為什么會(huì)出現(xiàn)上面的現(xiàn)象?如圖3所示，綠色表示ADC的采樣時(shí)鐘波形，紅色則表示一個(gè)輸入模擬信號(hào)的瞬態(tài)截圖。黑色表示采樣的誤差范圍。我們可以看出。采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)在輸入信號(hào)投影誤差的大小會(huì)隨著采樣時(shí)鐘自身抖動(dòng)增加而增加;同時(shí)，如果輸入信號(hào)的速率(或者說(shuō)頻率)增加，它的瞬態(tài)斜率也會(huì)增加，那么投影誤差也會(huì)相應(yīng)的增加。這張圖就解釋了圖2公式的原因。所以對(duì)于數(shù)字中頻系統(tǒng)的ADC需要提供優(yōu)異的時(shí)鐘信號(hào)并且當(dāng)輸入信號(hào)頻率(也叫中頻)越高時(shí)，越需要考慮這個(gè)問(wèn)題。

　　圖3

　　到底需要多小的抖動(dòng)才能夠滿足系統(tǒng)的ADC的需求呢?如圖4所示。不同輸入頻率，在不同抖動(dòng)水平下，可以達(dá)到不同的最大SNR水平。舉例，當(dāng)輸入頻率為200MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)為200fs水平時(shí)候，可以達(dá)到SNR水平就是72dB(如圖4虛線和綠色線交叉點(diǎn))。

　　圖4

　　為了方便工程師衡量系統(tǒng)受抖動(dòng)影響SNR的水平。ADI公司還可以提供一個(gè)在線的ADC性能仿真軟件ADIsimADC™。通過(guò)這個(gè)軟件可以選擇ADC型號(hào)后輸入時(shí)鐘的抖動(dòng)水平，就可以得出SNR的實(shí)際水平和雜散SFDR水平。如圖5所示。

　　圖5

　　■時(shí)鐘對(duì)鎖相環(huán)的影響分析

　　在數(shù)字中頻系統(tǒng)中，參考時(shí)鐘還會(huì)提供給鎖相環(huán)作為輸入?yún)⒖碱l率。而鎖相環(huán)的相噪好壞會(huì)影響到接收鏈路的EVM指標(biāo)。這是因?yàn)檩斎雲(yún)⒖碱l率的近端相噪進(jìn)入鎖相環(huán)后，并不會(huì)被鎖相環(huán)的低通濾波器抑制，從來(lái)會(huì)影響到鎖相環(huán)輸出的近端相噪水平。而近端相噪有是系統(tǒng)接收機(jī)EVM指標(biāo)的主要影響因素。圖6就是比較兩個(gè)不同參考相噪對(duì)于同一個(gè)鎖相環(huán)芯片ADF4351的近端相噪影響?？梢钥闯?KHz頻率處，相噪分別為-96dBc/Hz和-89dBc/Hz。這就是由于鎖相環(huán)的參考時(shí)鐘近端相噪不同造成的差異。

　　圖6

　　根據(jù)鎖相環(huán)輸出的相噪(抖動(dòng))水平和輸出頻率，可以通過(guò)下圖7的過(guò)程計(jì)算其對(duì)系統(tǒng)EVM的影響水平。因此我們可以得出結(jié)論：參考時(shí)鐘相噪影響鎖相環(huán)近端相噪，鎖相環(huán)近端相噪影響系統(tǒng)接收機(jī)的EVM指標(biāo)。

　　圖7

　　■鎖相環(huán)原理和相噪產(chǎn)生原因分析

　　根據(jù)前面對(duì)系統(tǒng)的分析，我們知道時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)中的ADC和PLL(鎖相環(huán))都有非常明顯的影響，那么如何才能在數(shù)字中頻系統(tǒng)中獲取更好的時(shí)鐘相噪呢?首先，要理解一下在數(shù)字中頻系統(tǒng)中核心器件，例如AD9523中PLL(鎖相環(huán))的基本工作原理。見(jiàn)圖8左側(cè)所示，鎖相環(huán)其實(shí)是一個(gè)數(shù)?；旌掀骷?，它包括了數(shù)字的鑒相器和分頻器，以及模擬的電流泵、低通濾波器和VCO (壓控振蕩器)。從本質(zhì)來(lái)說(shuō)，PLL 是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，它通過(guò)頻率信號(hào)的負(fù)反饋和鑒相比較，使得VCO工作在一個(gè)穩(wěn)定的控制電壓下，從而達(dá)到輸出頻率穩(wěn)定的作用。

　　圖8

　　圖8右側(cè)所示，黑色線表示PLL輸出的相噪相對(duì)頻率的水平，也就是我們?cè)陬l譜儀上觀測(cè)的結(jié)果。紅色線表示VCO的相噪水平，它被PLL的高通濾波響應(yīng)所抑制掉了低頻的部分，而綠色線是黃色線(外部參考輸入相噪)的倍頻增益產(chǎn)物，它的高頻噪聲被PLL的低通響應(yīng)所抑制，但是低頻(也稱(chēng)之近端)相噪被保留。恰恰是這個(gè)特性導(dǎo)致了，如果PLL的輸入?yún)⒖嫉南嘣氩缓没蛘叩屯V波器的截止頻率不夠低，就會(huì)導(dǎo)致參考時(shí)鐘相噪被搬移到PLL的輸出端。

　　■AD9523實(shí)例用低環(huán)路濾波器去抖

　　根據(jù)上面的分析，系統(tǒng)為了提高時(shí)鐘近端相噪水平，就需要提高參考時(shí)鐘的相噪水平或者降低PLL低通濾波器的頻率。而在光纖接入數(shù)字中頻系統(tǒng)中，參考時(shí)鐘是從光口恢復(fù)的，它本身就存在近端相噪(抖動(dòng))惡化的問(wèn)題。如何解決這個(gè)矛盾呢?只能從降低低通濾波器頻率入手。如圖9所示，AD9523在設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)鎖相環(huán)，第一個(gè)PLL接外部的參考時(shí)鐘(光口恢復(fù)的)，它采取非常低的低通濾波器設(shè)置(10Hz~100Hz)。它可以將參考時(shí)鐘近端相噪很好的濾除，而PLL外接的VCXO可以提供很好的近端相噪，這樣保證不會(huì)因?yàn)榈屯V波器頻率低而將VXCO的近端噪聲抬高(注意，這里對(duì)于VXCO來(lái)說(shuō)低通濾波器變?yōu)楦咄V波響應(yīng))。這樣第一個(gè)PLL就可以將參考時(shí)鐘近端相噪很好的抑制。而第二個(gè)鎖相環(huán)采用高頻率VCO(3600MHz到4000MHz)和70MHz的鑒相頻率。這樣可以降低噪聲頻率增益的同時(shí)，獲取更多的頻率組合(系統(tǒng)中有時(shí)需要不同頻率的工作時(shí)鐘，VCO需要工作在它們的最小公倍數(shù)的整數(shù)倍)。

　　圖9

　　■參考文獻(xiàn)：

　　[1] Brad Brannon, Allen Barlow. AN-501 孔徑不確定度與ADC系統(tǒng)性能

　　[2] Brad Brannon, Bill Schoield, Yang Ming.AN-0974: TD-SCMA多載波系統(tǒng)可行性研究

　　[3] CN-0134寬帶低EVM直接變頻發(fā)射機(jī)

　　[4]鎖相環(huán)常見(jiàn)問(wèn)題解答ADI官方網(wǎng)站

　　■作者簡(jiǎn)介：

　　孫凱(ray.sun@analog.com)就職于ADI武漢分公司，主要負(fù)責(zé)通信和汽車(chē)電子類(lèi)客戶的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持工作，擅長(zhǎng)RF和高速產(chǎn)品的技術(shù)研究和問(wèn)題分析。他于2002年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)，后在烽火科技虹信公司負(fù)責(zé)直放站系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目管理，2009年加入ADI武漢分公司，2010年畢業(yè)于華中科技大學(xué)MBA專(zhuān)業(yè)。