一、前言

相噪是衡量頻譜純度的一個重要指標，表征的是頻率的短期穩定度。單邊帶相位噪聲L(f)來源于相位的波動，單位為 dBc/Hz，傳統上定義為特定頻偏處1 Hz帶寬內的單邊帶(SSB)功率與載波功率之比，后在IEEE新版本中L(f) 定義更新為隨機相位波動φ(t) 單邊帶功率譜密度Sφ(f) 的一半。

在移動通信系統中，高階QAM調制是提升數據傳輸速率的重要手段之一，蜂窩5GNR R17標準已支持下行1024 QAM調制，另外最新的短距標準IEEE 802.11be(即Wi-Fi 7)更是達到了4096 QAM，高階調制對信號矢量調制誤差(EVM)指標提出了更高的要求。如下圖1所示，相位噪聲會影響信號的矢量調制誤差(EVM)并進而惡化誤碼率(BER)，對邊緣星座點影響尤甚。在雷達系統中，緩慢移動的目標因多普勒頻偏小導致其很靠近載頻，很容易被淹沒在相噪內，導致雷達系統無法識別該目標。

▲ 圖1 相噪與EVM的關系

在高速有線數字通信系統中，由于像5G NR、芯片D2D、高性能服務器、數據中心等技術的推動，基本上每隔3至5年，有線傳輸速率就會翻番，同時對參考時鐘的抖動指標提出了更高的要求。但是示波器由于噪聲和測量方法的限制，很難對亞 ps 級的抖動進行精確測量。如PCIe Gen 5標準指標要求是0.15 ps，這就需要借助于相位噪聲的測量方法。

▲ 圖2 PCIe規范的參考時鐘抖動要求

二、 相噪與時鐘抖動測試方法

相噪測量目前有多種方法，根據相位信息提取電路進行分類，可分為直接頻譜分析法、鑒相法、鑒頻法、直接數字解調法等，如下圖所示。

▲ 圖3 相噪測量技術分類

2.1 直接頻譜分析法

直接頻譜儀法基于頻譜測量結果進行相噪計算，優勢在于測試設置簡單、頻率偏移范圍大，除相噪外還可測試雜散、鄰信道功率泄漏(ACLR)、高次諧波和信號解調等。但該測量方法也受限于無法區分調幅(AM)噪聲和相位噪聲，無載波抑制動態范圍有限，頻譜儀固有相噪，以及1 Hz RBW帶來最小頻偏1 Hz限制等。

2.2 鑒相法

鑒相器法是采用被測振蕩器與同頻的參考信號源進行鑒相，鑒相器輸出信號經低通濾波器和低噪聲放大器后輸入到頻譜儀或接收機中。鑒相器法測試相位噪聲優點是鑒相后信號的載波被抑制，因此可以大大提高相位噪聲的測試靈敏度。另外，可以采用低噪聲放大器對鑒相后的信號進行放大，從而可以降低測量接收機的噪聲系數，進一步提高其測試靈敏度。同時，對于信號中同時存在的AM噪聲和相位噪聲，可以通過調整兩路信號的相位差，使鑒相器可以分辨AM噪聲和相位噪聲。如果兩路鑒相信號相位相差90°，則鑒相后輸出對AM噪聲的抑制可以高達40 dB，當兩路鑒相信號相位相差 0°時，則輸出結果僅有AM噪聲。

對于該測試方法也有相應的局限性，像鑒相器法的測量頻偏范圍較窄，頻偏通常最大100 MHz，需要做環路帶寬校正，以及無法同時測量相位噪聲和幅度噪聲等。

2.3 延遲線鑒頻法

延遲線法是把被測信號分成兩路，一路信號經過延遲線后與另一路經過一個移相器移相后的信號進行鑒相，然后再濾波放大分析。延遲線的作用是將頻率的變化轉化為相位的變化，當頻率變化時，將在延遲線中引起相位正比例的變化。雙平衡混頻器將相位變化轉化為電壓變化。

該測試方法具有載波抑制、調幅噪聲測試功能，測試時不需要額外的參考源，不需要信號同步，頻率漂移不再是問題。但是該測試方法最大頻偏范圍受限，高頻時損耗較大，使得測試靈敏度較低，而且測試時需要校準，操作較為復雜。

2.4 直接數字解調法

目前最新的相位噪聲測試的方法為直接數字解調法，該測試方法可以直接進行I/Q解調測量, 轉換為Sf(f), 再計算L(f)。直接數字解調法無鑒相器和鎖相環，所以不需要進行環路帶寬修正，可以簡化校準過程。該測試方法不僅可以測量CW相位噪聲，在測相噪同時測量幅度噪聲，同時該測試方法具有極低的參考源相位噪聲、高速互相關硬件，可以顯著提高測試的靈敏度。并且可以在大信號存在時測量小電平信號的相位噪聲。目前R&S相噪分析儀FSPN和FSWP采用的就是該技術。

▲ 圖4 直接數字解調法相噪分析原理

三、 相噪與時鐘抖動測試應用

3.1 頻綜和鎖相環測試

高性能鎖相環和頻綜測試不僅需要像R&S FSPN這樣具備-163 dBc/Hz(1 GHz頻率, 10 kHz頻偏，一次互相關)優異相噪能力的相噪分析儀，還需要給被測的頻綜模塊提供非常干凈的時鐘作為參考。高性能模擬源R&S SMA100B具備-152 dBc/Hz(1 GHz頻率, 10 kHz頻偏)的相噪水平和優異的時鐘抖動指標，除了具備最高頻率達67 GHz的射頻輸出能力外，同時可具備第二路6 GHz差分時鐘輸出口，是高性能頻綜鎖相環時鐘參考的最佳選擇。

為了評估頻綜的系統裕量指標，還需要信號源可提供自定義相噪曲線的信號源，R&S SMW200A矢量信號源自身具備-150 dBc/Hz(1 GHz頻率, 10 kHz頻偏)的優異相噪，在增加SMW-K810選件后可提供5個頻率偏移點的相噪編輯能力，用于幫助驗證頻綜的系統裕量。

▲ 圖5 高性能頻綜測試框圖

抖動傳遞函數(JTF)和3 dB環路帶寬是衡量鎖相環的重要指標之一，通常鎖相環內部具有抖動衰減模塊用于抖動優化，借助于模擬源R&S SMA100B的模擬調制選件(K720)的相位調制特性來模擬抖動的時鐘參考，同時羅德與施瓦茨提供軟件控制R&S SMA100B和FSPN，執行校準和測量兩步操作，自動完成抖動傳遞函數(JTF)和環路帶寬指標測試。

▲ 圖6 抖動傳遞函數JTF測試

3.2 PCIe 5.0/6.0高速接口測試

如圖7所示，PCIe 4.0/5.0/6.0高速接口規范對時鐘抖動要求越來越高，只能通過專用相噪分析儀完成。羅德與施瓦茨為PCIe最新規范測試提供了自動化測試軟件，可實現自動控制相噪分析儀R&S FSPN，依據協議模板完成參考時鐘指標測試。由于頻率參考是電路板的一個主要 EMI 來源，一般都有擴頻時鐘(SSC)要求，而通常的相噪儀無法支持擴頻時鐘測試，R&S FSPN/FSWP采用了直接數字解調相噪測試法，可以更好地支持非擴頻時鐘(SSC)和擴頻時鐘(SSC)兩種測試要求。

▲ 圖7 PCIe參考時鐘一致性測試自動化軟件

除了參考時鐘測試，R&S FSPN也可以支持PCIe系統級TX隨機抖動(RJ)指標要求，只需要把數據固定為0101…數據。由于PCIe 5.0/6.0中SERDES PLL頻率為16 GHz，此時PCIe的TX數據就是固定的16 GHz頻率的時鐘信號，R&S FSPN單機頻率可達26.5 GHz，非常方便地完成PCIe 16 GHz的時鐘抖動測試。

▲ 圖8 PCIe TX隨機抖動測試框圖

四、 總結

新一代無線通信技術引入更高頻率和高階調制，對收發信機的相噪指標要求更加苛刻，另一方面，高性能服務器和400/800G數據中心帶動了SERDES 112/224G和PCIe 5.0/6.0新接口標準的研發，時鐘抖動指標進一步提升，需要有足夠指標裕量的相噪分析儀滿足0.1 ps甚至更高的測試要求。相噪分析儀R&S FSPN采用了直接數字解調技術，相噪和抖動指標優異，測試速度快， 滿足下一代無線通信、有線高速接口、以及雷達的相噪和抖動測試要求。

關于羅德與施瓦茨

羅德與施瓦茨是測試與測量、系統與方案、網絡與網絡安全領域的領先供應商。公司成立已超過85年，總部設在德國慕尼黑，在全球70多個國家設有子公司。作為一家獨立的科技集團，羅德與施瓦茨創新性的產品和解決方案為全球工業及政府客戶提供了一個更安全與互聯的世界。截至2021年6月30日，羅德與施瓦茨公司在全球擁有約13000名員工。

原文標題：800G與PCIe 5.0已至，相噪與抖動迎來新指標

文章出處：【微信公眾號：電子發燒友網】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅