雙相位鎖定回路助力數(shù)位中頻系統(tǒng)擺脫時(shí)鐘抖動

本文根據(jù)光纖接入數(shù)位中頻系統(tǒng)的時(shí)鐘使用情況，分析時(shí)鐘抖動對類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）和相位鎖定回路（PLL）性能影響的塬理，包括相位鎖定回路基本原理和相位雜訊優(yōu)化方式，最后提出采用雙相位鎖定回路完成去抖和時(shí)鐘分發(fā)的解決方案。

無線射頻遠(yuǎn)端裝置（RRU）、數(shù)位光纖直放站等常見的數(shù)位中頻系統(tǒng)，其設(shè)備中的時(shí)鐘訊號多從近端通過光纖傳輸過來。由于光纖傳輸?shù)纳⒂绊懀袝r(shí)鐘參考訊號在通過光口晶片后，其抖動指標(biāo)會惡化。而在遠(yuǎn)端設(shè)備中，這個(gè)時(shí)鐘訊號將會做為整個(gè)系統(tǒng)的參考時(shí)鐘，包括ADC、數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器（DAC）、調(diào)製器和相位鎖定回路等。如果這個(gè)參考時(shí)鐘訊號的抖動性能不佳，將會造成系統(tǒng)中上述元件的性能惡化，所以在光纖接入的數(shù)位中頻系統(tǒng)中，時(shí)鐘抖動設(shè)計(jì)非常重要。

時(shí)鐘相位雜訊影響ADC性能

訊噪比（SNR）是數(shù)位中頻系統(tǒng)中的ADC受關(guān)注的指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)會影響系統(tǒng)的動態(tài)范圍。一般設(shè)計(jì)好的高速ADC，其SNR則固定。比如AD6649在95MHz頻寬和245.76MSPS的取樣速率條件下，SNR為73.4dBFs。這個(gè)指標(biāo)的前提是ADC的參考時(shí)鐘抖動指標(biāo)非常好，如果系統(tǒng)提供給ADC的時(shí)鐘抖動不好，則會惡化實(shí)際SNR水準(zhǔn)（圖1）。

圖1 實(shí)際SNR取決于系統(tǒng)工作頻率和時(shí)鐘抖動

為什么會出現(xiàn)上述現(xiàn)象？如圖2所示，采樣時(shí)鐘的抖動在輸入訊號投影誤差的大小會隨著采樣時(shí)鐘自身抖動增加而增加；同時(shí)，如果輸入訊號的速率（或頻率）增加，其瞬態(tài)斜率也會增加，那么投影誤差也會相應(yīng)增加。圖2亦解釋圖1公式的原因，所以對于數(shù)位中頻系統(tǒng)的ADC須要提供優(yōu)異的時(shí)鐘訊號，特別是輸入中頻愈高時(shí)，愈須要考慮這個(gè)問題。

圖2 采樣時(shí)鐘的抖動在輸入訊號投影誤差的大小會隨著采樣時(shí)鐘自身抖動增加而增加。（a表示ADC的采樣時(shí)鐘波形，b則表示一個(gè)輸入類比訊號的瞬態(tài)截圖。c表示採樣的誤差范圍。）

到底需要多小的抖動才能夠滿足系統(tǒng)的ADC需求？不同輸入頻率，在不同抖動水準(zhǔn)下，可以達(dá)到不同的最大SNR水準(zhǔn)。舉例來說，當(dāng)輸入頻率為200MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘抖動為200fs水準(zhǔn)時(shí)，可以達(dá)到72dB的SNR水準(zhǔn)。

為方便工程師衡量系統(tǒng)受抖動影響SNR的水準(zhǔn)，已有業(yè)者提供線上ADC性能模擬軟件。工程師透過該軟件可以選擇ADC型號后，輸入時(shí)鐘的抖動水準(zhǔn)，以得出SNR實(shí)際水準(zhǔn)和雜散無雜訊動態(tài)范圍（SFDR）水準(zhǔn)。

時(shí)鐘對相位鎖定回路影響分析

在數(shù)位中頻系統(tǒng)中，參考時(shí)鐘還會提供給相位鎖定回路做為輸入?yún)⒖碱l率。相位鎖定回路的相位雜訊好壞會影響到接收鏈路的誤差向量幅度（EVM），這是因?yàn)檩斎雲(yún)⒖碱l率的近端相位雜訊進(jìn)入相位鎖定迴路后，并不會被相位鎖定迴路的低通濾波器抑制，而會影響到相位鎖定回路輸出的近端相位雜訊水準(zhǔn)，故近端相位雜訊系統(tǒng)是接收機(jī)EVM指標(biāo)的主要影響因素。比較兩個(gè)不同參考相位雜訊對于同一個(gè)相位鎖定迴路晶片的近端相位雜訊影響，由于相位鎖定回路的參考時(shí)鐘近端相位雜訊不同，可以發(fā)現(xiàn)1kHz頻率處，相位雜訊分別為-96dBc/Hz和-89dBc/Hz。

根據(jù)相位鎖定回路輸出的相位雜訊（抖動）水準(zhǔn)和輸出頻率，可以計(jì)算其對系統(tǒng)EVM的影響水準(zhǔn)（圖3）。因此可以得出結(jié)論--參考時(shí)鐘相位雜訊影響相位鎖定回路近端相位雜訊、相位鎖定回路近端相位雜訊影響系統(tǒng)接收機(jī)EVM指標(biāo)。