GB/T 43024.2-2023 压电、介电和静电振荡器的测量技术 第2部分：相位抖动测量方法（正式版）

GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017第2部分：相位抖动测量方法Part2:Phasejittermeas(IEC62884-2:2017,IDT)国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会1GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017 Ⅲ 1 13术语和定义 14测量和测量程序 24.1概述 24.2相位抖动测量方法 24.3测量系统的输入输出阻抗 64.4测量设备 64.5测量夹具 6 65测量与测量环境 75.1测量前的设置 75.2测量中的注意事项 75.3测量后的处理 7 76.1基准温度 76.2温度特性的测量 76.3振动状态的测量 76.4冲击状态的测量 76.5加速老化的测量 77其他注意事项 8 8附录A(资料性)相位抖动计算方法 9 9 9A.3相位噪声与相位抖动的关系 9A.4关于相位抖动理论来源的介绍 A.5说明 A.6测量要点 图1用采样示波器测量相位抖动 2 4ⅡGB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017 图A.1单边带相位噪声概念图 图A.2电压-时间的关系 图A.3均方根抖动示意图 ⅢGB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件是GB/T43024《压电、介电和静电振荡器的测量技术》的第2部分。GB/T43024已经发布——第2部分：相位抖动测量方法。本文件等同采用IEC62884-2:2017《压电、介电和静电振荡器的测量技术第2部分：相位抖动测请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中华人民共和国工业和信息化部提出。本文件由全国频率控制和选择用压电器件标准化技术委员会(SAC/TC182)归口。本文件起草单位：河北博威集成电路有限公司、北京晨晶电子有限公司、唐山国芯晶源电子有限公司。GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017荡噪声也需要进一步减小。相位抖动是振荡器噪声特性中的一种，在产品交付前需对其进行精确的在电子信息和通信工程的最新应用领域(例如先进卫星通信和电动汽车控制电路),通用的相位抖——第2部分：相位抖动测量方法。目的在于给出相位抖动测量的方法，以精确的测量均方根1GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017第2部分：相位抖动测量方法件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于ISO80000-1量和单位第1部分：总则(Quantitiesandunits—Part1:General)IEC60027(所有部分)电气术语用文字符号(Lettersymbolstobeusedinelectricaltechnology)关材料(InternationalElectrotechnicalVocabulary—Part561:Piezoelectric,dielectricandelectrostaticdevicesandassociatedmaterialsforfrequencycontrol,selectionanddetection)lectricandelectrostaticoscillatorsofassessedquality—Part1:Genericspecification)IEC60469脉冲及相关波形的变换术语、定义和算法(Transitions,pulsesandrelatedwaveforms-Terms,definitionsandalgorithms)IEC62884-1:2017压电、介电和静电振荡器的测量技术第1部分：基本测量方法(Measurementtechniquesofpiezoelectric,dielectricandelectrostaticoscillators—Part1:Basicmethodsforthemeasurement)IEC60027(所有部分)、IEC600界定的术语和定义适用于本文件。2GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:20174测量和测量程序测量和测量程序在IEC62884-1:2017第4章中给出，并在4.2至第8章中引用。4.2相位抖动测量方法测量方法采用相位噪声测量设备(系统)或者专门设计的相位抖动测量设备。三种基本测量方法如下。1)相位噪声测量设备；2)抖动或漂移测量设备。方法c)1)使用相位噪声测量设备是推荐的测量方法，因为它的精度足够满足任意振荡输出频率。—-在振荡电路相位抖动和漂移的测量过程中，宜关注相对的测量可重复性。——使用方和制造方宜通过探讨，深入理解相对——使用方和制造方宜在合同中明确规定测量设备(包括软件程序)。——如果通过相位噪声计算相位抖动和漂移，使用方和制造方宜在合同中明确地规定频率偏移范围。拥有高带宽、快速采样率、大数据存储量的实时数字或采样示波器(见图1),有时附带专用的抖动触发输入◎功率分配图1用采样示波器测量相位抖动备软件可以计算峰峰值抖动及其统计分布。由于采样示波器不能精确评估抖动的频谱成分，因此难以3GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017Jpur=√(Jmes)²-(Jin)²式中：JDut—被测样品的真实抖动值；Jint——设备内部时钟的抖动值。精确的抖动测量。误码率(BER)试验装置用于测量误码率，以标定通信子系统的整体系统性能。由于很难将振荡器抖动直接转化成系统的误码率，本方法也无法提供定量的振荡器抖动值。相位抖动可以在频域进行测量，IEC62884-1:2017中4.5.25规定了此方法，即带锁相环的相位噪声测量方法。失谐频率范围应由供需双方讨论后，在合同中规定。根据附录A给出的相位抖动量的计算方法，可以得到由相位噪声计算均方根抖动的公式。在特定的同步数字体系(SDH)/同步光纤网(SONET)应用中，傅里叶频率范围(fmn…fmax)可以按照IEC60679-1:2017中3.2.53的规定来选择。如果相应的数据手册中无明确规定，表1给出了推荐的傅里叶频率范围。表1相位噪声测量中的傅里叶频率振荡输出频率ffo=fminf₄=fmax1MHz≤f<10MHz10MHz≤f<50MHz50MHz≤f<200MHz200MHz≤f<1000MHz1000MHz≤f<5000MHzf≥5000MHz80MHz从表1可以看出，最紧迫的需求范围在f₃到f₄频段。f₃到f₄频段以外的抖动性能也可以被定义。要计算相位抖动，需要将相位噪声L(f)在关注的频段内进行积分并按以下公式进行评估。根据单边带相位噪声图10lgL(f)计算相位波动谱密度S,(f):S,(f)=2L(f)4GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017均方相位抖动可以在规定的傅里叶频率范围fmin到fmax内，分成n段逐段积分，例如：△fi=fi+1一f;(i=1…n-1)f₁=fmin,fn=fmax积分的平方根△φ(f)在弧度单位制中为有效值相位抖动或者均方根相位抖动。它可以通过乘以下面的因数k转化为角度、单位间隔(UI)分量或时间(单位为s)。因数角度/(°)时间/sk随机抖动的峰峰值可以认为是上述计算值的7倍(见IEC60679-1:2017中的3.2.53)。准确度：整个傅里叶频带内的相位噪声数据10lgL(f)如果存在1dB的误差，则导致的抖动不准确度约信号分析方法商用信号分析仪可以用于测量时钟源的抖动和漂移，在ITU-T0.172中规定了这种方法(见图2),工作原理类似于采用正交方法的相位噪声测量技术。测量设备配套的软件以数字和图形的方式直接给出抖动和漂移的所有特性值。无抖动的无抖动的参考时钟产生包含抖动与漂移的时钟U～Ay数字信号抖动结果评估外部时钟(漂移测量)最大时间间隔误差u均方根值(包含抖动与漂移)隔误差内部参考时钟相位检测解调输出低通滤波外部um模式PLLWU图2ITU-T0.172推荐的抖动与漂移分析仪框图上述系统相对于相位噪声测量的优势在于可以测量抖动的均方根和峰峰值，缺点是系统需要一个输入信号(振荡频率),其频率参照光通信系统(同步数字体系、同步光纤网)的标准数据比特率而定，见表2。表2各类应用的标准比特率同步数字体系同步光纤网比特率Mbit/s允许的振荡频率MHzOC-151.8425.92,51.84STM-1OC-377.76,155.525GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017表2各类应用的标准比特率(续)同步数字体系同步光纤网比特率Mbit/s允许的振荡频率MHzSTM-4OC-12622.08311.04,622.08STM-16OC-482488.321244.16,2488.32STM-64OC-1929953.284976.64,9953.28测量设备和系统应为内置时间间隔分析仪的专用同步光纤网(SONET)/同步数字体系(SDH)测量设备。测量项目是均方根抖动和周期(周期性)抖动。测量次数应由供需双方经过讨论之后在合同中注明，应为20000次或者更多。a)测量设备的测量范围可能不包含待测振荡器的频率。b)振荡器输出电压低于设备所需条件。为此需要增加一个放大器，并需要评估放大器带来的相c)若输出信号为CMOS信号、低电压差分信号(LVDS)、低电压正发射极耦合逻辑信号(LVPECL)等方波，此类方波是很难实现的，因为在频率超过300MHz之后，谐波分量会减小。因此，信号波形会变成正弦波或者削峰正弦波。专用的SONET/SDH测量设备很难分析图3展示了一种典型的测量框图，实际使用的是在图1基础上经过改良之后的框图。测量设备测量夹具负载测量设备电源振荡器样品电源图3等效框图6GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:20174.3测量系统的输入输出阻抗振荡器的负载阻抗为5Q～100MΩ,以下列举了负载使用的元件类型。由于需求方存在各种需a)只有电容。b)只有电阻。c)电容和电阻的联合使用。d)含偏置的互补输出。振荡器输出电压的变化取决于振荡器负载阻抗的变化，因此负载电路的热噪声也会变化。振荡器的相位抖动值也随之变化。供需双方在采用非50Ω的负载时，应仔细研究和审查，并在合同中明确负载阻抗。4.4测量设备器需求的测量设备。随机抖动的本底应比振荡器要求的相位抖动低一个数量级。输出波形。输出电压应为350mV或更高。4.5测量夹具测量夹具的要求如下。a)待测振荡器与测量夹具之间的连接气连接。b)待测振荡器与测量夹具的兼容性待测振荡器和测量夹具应当共地。c)虽然有可能使用无内置负载阻抗的测量夹具，但为了降低来自负载阻抗的热噪声或其他噪声对振荡器相位抖动测量的影响，仍推荐采用有内置负载阻抗的测量夹具。对于电缆，应适配50Ω系统，并采用双层防护类型，且电缆长度越短越好。对于连接器，应适配7GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:20175测量与测量环境5.1测量前的设置注意事项如下：a)整套测量系统和待测振荡器应安装在一个测量空间至少保持2h;b)测量设备已开机2h或2h以上；c)测量设备内部时钟信号的频率稳定度应等于或优于待测振荡器的频率稳定度；d)待测振荡器和测量设备的供电电源应正确地设置到规定的直流和交流电压上；e)对周围的电子器件采取限制措施，确保周围环境不产生电子噪声。5.2测量中的注意事项5.3测量后的处理测量完成之后，不宜拆散测量系统。应确保对测量设备的定期检查和校准。6测量6.1基准温度基准温度为25℃±5℃。6.2温度特性的测量特性。测量期间不应有振动产生。6.3振动状态的测量6.4冲击状态的测量干扰。确测量条件。6.5加速老化的测量测量。8GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:20177其他注意事项源的电子噪声可能包含在测量系统中，测量系统内部或外部的器件产生的相位抖动也应考虑在内。8其他对振荡器以及基于振荡器中包含倍频或分频功能的模块进行相位抖动测量时，供需双方应详细讨9(资料性)相位抖动计算方法本附录给出了通过相位噪声的测量结果计算相位抖动的方法。通过相位噪声测量结果计算相位抖动，可获得其均方根抖动。详细描述如下。如果使用频谱分析仪或者相位噪声测量系统，可以通过频率成分来分析相位抖动及抖动产生的原因。相位噪声测量系统能测量到其他抖动测量系统难以测量到的极其微小的相位抖动，因此适用于评估振荡器类的高稳定性器件。需求方会要求各种各样的振荡器信号，例如正弦波和方波。对于正弦波信号，使用相位噪声测量系统有理论基础，非常合适；而对于方波信号，则会包含各种误差因素。但是，目前还没有找到任何其他可以稳定地测量如此微小相位抖动的方法，因此，将相位噪声测量系统也运用于测量波信号。一般情况下，观察振荡器的单边带相位噪声测量结果时，水平轴上的频偏基本都从10Hz到1MHz,从1Hz到1MHz,或从1Hz到10MHz。在一些特别情况下，使用10kHz或稍高一点的频偏作为本底，也可以当做是1MHz或10MHz,可以这样规定是因为测量设备内置了滤波器。另一方面，对于相位抖动而言，这样的滤波器并不需要，因为相位抖动的测量可以无视频偏。因此，相位噪声测量值和相位抖动测量值不可能完全一致。但对于拥有超低抖动的振荡器而言，相位噪声和相位抖动测量值一定是相互关联的，为了方便，两者都被使用。A.3相位噪声与相位抖动的关系采用相位检测器(将相位波动转化为电压波动)对相位调制信号进行解调，公式(A.1)描述了相位和电压之间的关系，其中K。是常量，单位为V/rad。当使用频谱分析仪测量被转化的相位波动时，可由公式(A.2)来表示：△Vm.(f)=K,×△φms(f)[V]…………(A.2)如果用Svms(f)定义被测电压波动(相位检测仪的输出波动)的频谱密度函数，则相位波动的频谱密度函数可以用公式(A.3)来表示：式中：B——频谱分析仪的带宽。上述结果被转化为单边带(SSB)相位噪声，单边带相位噪声可用公式(A.4)来表示：…………(A.4)式中：S,(f)——相对于1个弧度的dB值，也是相位波动的功率谱密度函数；L(f)——单边带相位噪声。规定带宽内的总的相位偏移，即为相位抖动，可以用公式(A.5)和公式(A.6)表示：GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017…………(A.5)…………(A.6)如图A.1所示，单边带相位噪声中阴影部分即为相位抖动，其面积与均方根抖动的平方值一致。如果频偏范围不同，相位抖动的计算值也会不同。这是该计算方法的一个缺陷，因此由单边带相位噪声偏离载频频率图A.1单边带相位噪声概念图A.4关于相位抖动理论来源的介绍在1966年，IEEE汇编了频率稳定度的单独的论文。不久，该定义应用到原子钟振荡器、晶体振荡传统的晶体振荡器和电子系统，除了一部分外，都是模拟系统，信号波形也都是正弦波。因频率稳定度作为频率稳定度的一种，用相位噪声或阿伦方差来表征。近来，电子系统的数字化时代正在到来，这时，短期频率稳定度已经开始用相位抖动来衡量了。另一方面，振荡器是模拟类的电子器件。而使用者越来越需要方波输出或准方波输出的振荡器，这样可以很方便地组装到电子系统中。使用者当然越来越普遍地用相位抖动来表征短期频率稳定度了。A.5.1概述振荡器的相位抖动，在时域方面指的是信号波形的电子噪声。另一方面，相位抖动可以描述为一种信号偏移频率超过10Hz的抖动，也可以描述为一种频率为10Hz或者更低的漂移。漂移在电子元器件中是一种已被证实的现象，例如光导电缆在微小温度改变下的膨胀与收缩。但是振荡器的漂移很难观察，因此，漂移在振荡器中通常是不被考虑的。在本文件中，相位抖动简称为抖动。对于信号来说，一个理想的周期(t)反比于其频率(f)。明确地说，它们的关系由公式(A.7)描述：…………(A.7)实际上，由于各方面的影响，周期是不断变化的，这种现象就是相位抖动。当使用示波器或类似设备观察时，能看到显著增厚的波形边沿。测量和评估这种相位抖动，可以采用统计学的测量技术，如图A.2a)所示。图A.2a)中的数值已被处理为象征性符号，纵轴上0.5的位置作为一个参考点，其与信号波形的交点处设定为固定不变。在经过一个周期波形后，再去关注那些交点，每当信号沿着横轴在显GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017相位抖动是一种正态分布，见图A.2b)。仔细分析研究时，可以分成多种类型。本部分将相位抖动分成了7类，A.5.2～A.5.8将详细解释其类别属性和机理。0时间参考点时间4020a)输出波形b)所有抖动的直方图A.5.2均方根(RMS)抖动均方根抖动有着如图A.3所示的正态分布。按照统计学原理，均方根抖动的一个标准偏差，定义从统计学观点来看，任何测量数据存在于1σ区的概率均为68.26%。因此，当测量次数为10000次时，可获得大约6826个有效测量数据。相反，31.74%的测量数据将会落在1σ区的正侧和负侧。如果判定落于1σ区间之外的数据是错误，则31.74%就是错误率。A.5.3峰峰值(peak-to-peak)抖动峰峰值抖动也是一种相位抖动，正态分布如图A.3所示。将一个周期的相位抖动量进行累加，以峰峰值抖动定义为最大值与最小值之间的差值(也就是图A.3的变化宽度)。当测量次数增加时，格书中协商具体的测量条件。由于用峰峰值抖动和均方根抖动表征相位抖动都与测量次数相关，因此测量样品的工作条件只限A.5.4随机抖动随机抖动如图A.4所示