時(shí)鐘抖動(dòng)對光纖接入數字中頻系統的影響分析

摘要：本文根據光纖接入數字中頻系統的時(shí)鐘使用情況，分析了時(shí)鐘抖動(dòng)對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。

■數字中頻系統的時(shí)鐘信號

　　圖1

　　對于常見(jiàn)的數字中頻系統，例如RRU、數字光纖直放站，遠端設備中的時(shí)鐘信號都是從近端通過(guò)光纖傳輸過(guò)來(lái)的，由于光纖傳輸的色散影響，原有時(shí)鐘參考信號在通過(guò)光口芯片恢復出來(lái)后，其抖動(dòng)指標會(huì )惡化。而在遠端設備中(如圖1)，這個(gè)時(shí)鐘信號將會(huì )作為整個(gè)系統的參考時(shí)鐘，包括ADC，DAC，調制器和鎖相環(huán)等等。如果這個(gè)參考時(shí)鐘信號的抖動(dòng)性能不佳，將會(huì )造成系統中上述器件的性能惡化。所以在光纖接入的數字中頻系統中，時(shí)鐘抖動(dòng)設計非常重要。

　　■時(shí)鐘相噪對ADC性能的影響分析

　　對于數字中頻系統中的ADC，SNR指標是我們非常關(guān)注的指標之一。這個(gè)指標會(huì )影響系統的動(dòng)態(tài)范圍。我們知道一般一款設計好的高速ADC，它的SNR基本是確定。比如AD6649手冊給出在95MHz帶寬和245.76MSPS采樣率的條件下，SNR為73.4dBFs。而這個(gè)指標的前提是ADC的參考時(shí)鐘抖動(dòng)指標非常好，如果系統提供給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取決于系統工作頻率和時(shí)鐘抖動(dòng)。

　　圖2

　　為什么會(huì )出現上面的現象?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)在輸入信號投影誤差的大小會(huì )隨著(zhù)采樣時(shí)鐘自身抖動(dòng)增加而增加;同時(shí)，如果輸入信號的速率(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 )相應的增加。這張圖就解釋了圖2公式的原因。所以對于數字中頻系統的ADC需要提供優(yōu)異的時(shí)鐘信號并且當輸入信號頻率(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(mǎn)足系統的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，可以達到不同的最大SNR水平。舉例，當輸入頻率為200MHz，系統時(shí)鐘抖動(dòng)為200fs水平時(shí)候，可以達到SNR水平就是72dB(如圖4虛線(xiàn)和綠色線(xiàn)交叉點(diǎn))。

　　圖4

　　為了方便工程師衡量系統受抖動(dòng)影響SNR的水平。ADI公司還可以提供一個(gè)在線(xiàn)的ADC性能仿真軟件ADIsimADC™。通過(guò)這個(gè)軟件可以選擇ADC型號后輸入時(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)鐘對鎖相環(huán)的影響分析

　　在數字中頻系統中，參考時(shí)鐘還會(huì )提供給鎖相環(huán)作為輸入參考頻率。而鎖相環(huán)的相噪好壞會(huì )影響到接收鏈路的EVM指標。這是因為輸入參考頻率的近端相噪進(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接收機EVM指標的主要影響因素。圖6就是比較兩個(gè)不同參考相噪對于同一個(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)程計算其對系統EVM的影響水平。因此我們可以得出結論：參考時(shí)鐘相噪影響鎖相環(huán)近端相噪，鎖相環(huán)近端相噪影響系統接收機的EVM指標。

　　圖7

　　■鎖相環(huán)原理和相噪產(chǎn)生原因分析

　　根據前面對系統的分析，我們知道時(shí)鐘抖動(dòng)對于系統中的ADC和PLL(鎖相環(huán))都有非常明顯的影響，那么如何才能在數字中頻系統中獲取更好的時(shí)鐘相噪呢?首先，要理解一下在數字中頻系統中核心器件，例如AD9523中PLL(鎖相環(huán))的基本工作原理。見(jiàn)圖8左側所示，鎖相環(huán)其實(shí)是一個(gè)數?；旌掀骷?，它包括了數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)負反饋系統，它通過(guò)頻率信號的負反饋和鑒相比較，使得VCO工作在一個(gè)穩定的控制電壓下，從而達到輸出頻率穩定的作用。

　　圖8

　　圖8右側所示，黑色線(xiàn)表示PLL輸出的相噪相對頻率的水平，也就是我們在頻譜儀上觀(guān)測的結果。紅色線(xiàn)表示VCO的相噪水平，它被PLL的高通濾波響應所抑制掉了低頻的部分，而綠色線(xiàn)是黃色線(xiàn)(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)特性導致了，如果PLL的輸入參考的相噪不好或者低通濾波器的截止頻率不夠低，就會(huì )導致參考時(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

　　根據上面的分析，系統為了提高時(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。而在光纖接入數字中頻系統中，參考時(shí)鐘是從光口恢復的，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在設計中使用了兩個(gè)鎖相環(huán)，第一個(gè)PLL接外部的參考時(shí)鐘(光口恢復的)，它采取非常低的低通濾波器設置(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 )因為低通濾波器頻率低而將VXCO的近端噪聲抬高(注意，這里對于VXCO來(lái)說(shuō)低通濾波器變?yōu)楦咄V波響應)。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的整數倍)。

　　圖9

　　■參考文獻：

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

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

　　[3] CN-0134寬帶低EVM直接變頻發(fā)射機

　　[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A(yíng)DI武漢分公司，主要負責通信和汽車(chē)電子類(lèi)客戶(hù)的現場(chǎng)技術(shù)支持工作，擅長(cháng)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責直放站系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和項目管理，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)。