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具有低相位噪声的晶体振荡器的重要性

数据收集和处理以及关键基础设施的很大一部分已经被数字化。所有这些努力的共同点是需要高度精确的参考时钟。通常，各种晶体振荡器被用作确定频率的元件。这些设备包括从简单的、未调节的晶体振荡器（XO/VCXO）到温度补偿的振荡器（TCXO）和恒温晶体振荡器（OCXO）。高性能的最重要质量标准之一是频率稳定性。短时间范围内的频率稳定性可以用三个量来描述：相位噪声、抖动和短期稳定性。

相位噪声基础知识

电子电路中的噪声效应是一种无处不在的现象，有各种物理原因。载波附近的噪声主要由振荡晶体的质量决定，它在振荡电路的谐振频率范围内充当窄带滤波器。图1显示了短期的频率不稳定性，在时域中表现为实际信号波形的零点交叉点（相位）与理想正弦波的偏差。该图中没有显示振幅的调制。

描述相位波动的最重要参数是相位噪声L(f)、抖动ΔT(Δf)和短期稳定性。图2显示了一个TCXO和KVG的超低相位噪声（ULPN）OCXO的相位噪声图。10 MHz TCXO在10 Hz偏移频率下实现了低至-100 dBc/Hz的相位噪声，在100 kHz偏移频率下的本底噪声为-160 dBc/Hz。目前，ULPN 10 MHz OCXO在1 Hz偏移时的相位噪声已经达到-123 dBc/Hz，在10 Hz偏移时达到-149 dBc/Hz，噪底优于-170 dBc/Hz。

短期稳定性主要以"阿伦偏差"（ADEV）的形式表示。图2中的TCXO的ADEV范围为2×10^-10至2×10^-11，τ为1秒。OCXO的ADEV为2×10^-12至2×10^-13。

测量应用

特别是在高频率范围内，测量技术依赖于这样一个事实：要测量的信号通过与另一个信号混合而转换成不同的、通常较低的频率。低频信号通常更容易分析，固定频率的滤波器和放大器可用于测量设备。要测量的信号通过设备内部的本地振荡器被混合到所需的频率范围。

图3a以简化形式显示了信号混合的基本原理。在混合器中，输入信号f_in与本地振荡器的信号f_LO混合，形成差分信号|f_LO-f_in|和总信号f_in+f_LO的叠加。如果本地振荡器有一个不能忽略的相位噪声，这个噪声也会强加在混合信号上。如图3b所示，要分析的是两个相互接近的输入信号。如果本地振荡器信号有很大的噪声，较小的输入信号在与频谱扩大的较强信号的噪声混合后几乎完全消失。

高性能的测量仪器也被用来确定外部信号源的相位噪声。最简单的测量方法是使用频谱分析仪，因为它是大多数电子实验室的标准测量设备。只要频谱分析仪的内部振荡器的相位噪声明显低于要测量的信号，就可以比较容易地进行测量。如果内部振荡器的噪声与被测对象相当或更差，上述信号混合的影响意味着测量结果受限于内部振荡器的相位噪声，可能有偏差。只有具有极低相位噪声的内部参考振荡器才能用于高性能的测量设备。

数字通信应用

模拟数据传输传统上使用振幅调制或频率/相位调制。数字数据传输需要更复杂的调制方法，以便在可用带宽上最大限度地实现无差错数据传输。目前用于传输数字离散信号的调制方法使用了振幅和相位调制的组合，这两个自由度提高了数据传输率。这方面的例子有振幅相移键控（APSK）或正交振幅调制（QAM）。

图4a显示了一个16-QAM调制的载波的星座图。该图显示了16个不同的状态，每个状态都由一对独特的值来描述，这些值包括振幅和相对于坐标原点的相位角。在这个调制中，相位噪声会导致整个星座图的旋转。这在图4b中被看作是对图4a的确切状态的模糊化。如果这种旋转足够严重，状态会被错误识别，导致比特错误和更高的比特错误率。通过使用稳定的振荡器可以减少比特错误率。需要最高性能的数字通信网络将使用铷或铯原子钟或全球导航卫星系统（GNSS）锁定的OCXO。如果可以接受稍低的性能，那么具有极低相位噪声的OCXO是可能的选择。

导航应用

各种GNSS被用来确定陆地和大气层中的位置。位置是通过测量从卫星到相应接收器的高频信号传播时间来确定的。比较来自至少三颗卫星的传输时间差，可以计算出准确的水平位置。速度数据是由卫星相对于接收器移动的多普勒效应引起的频移计算出来的。这项技术需要卫星和GNSS接收器中极其精确的时钟来进行精确的时间/频率测量。在卫星上，这是通过铯/铷原子钟（GPS使用）或通过氢微波激发（maser）时钟（伽利略系统使用）实现的，这些时钟通过分布在世界各地的地面站定期进行校准。

便携式GNSS接收机还必须采用具有出色的短期稳定性/相位噪声的极其精确的时钟。如果接收器的时钟与卫星的参考时钟完全匹配，那么只需三个卫星信号就可以确定位置。这个概念在图5中显示。在实践中，至少需要四颗卫星的数据来补偿因接收器时钟长期稳定性差而造成的时间偏移。

GNSS接收机的分辨率精度与内部时间基准的噪声性能直接相关。大众市场的便携式接收机通常只包含简单的XO或TCXO来产生参考频率，这可能导致分辨率精度在几十米范围内。专业的GNSS接收机使用高度稳定的OCXO，由于这些OCXO的短期稳定性很高，可以将位置误差降低到几厘米。

雷达应用

根据特定的应用领域，使用雷达确定位置和速度时，需要频率高达300GHz的信号。在目前的系统中，信号是由一个压控振荡器（VCO）产生的，它的频率稳定性通常很差。为了稳定信号，VCO通过锁相环（PLL）与一个极其稳定的参考振荡器相连。系统的整体性能，特别是相位噪声，主要由参考振荡器决定。在这种情况下，最好是把这个振荡器设计成超低相位噪声的OCXO。

使用PLL确保接近载波的相位噪声由参考振荡器的噪声决定。超过一定的频率偏移（由PLL的环路带宽决定），高频振荡器的相位噪声就占主导地位。这种效果显示在图6中，与自由运行的VCO相比，在100kHz偏移频率以下，使用参考振荡器可以显著降低相位噪声。

利用多普勒效应，雷达可以从频率变化中确定一个移动物体的速度。在一个简化的连续波雷达模型中，一个固定频率的信号向目标物体的方向发射。电磁波被目标物体反射并传回雷达的接收器。根据目标相对于接收器的运动，接收信号的频率发生变化。图7a显示了多普勒效应的基本概念。

如果所产生的频率差在低速时非常小，以至于无法相对于有噪声的载波频率进行测量，就会产生一个问题，如图7b所示。一个具有较低相位噪声的频率源可以使速度测定更加准确。对于一个载波频率为1GHz的雷达源，一个以1公里/小时的速度移动的物体产生的多普勒频移约为1.9Hz。

结论

高精度的频率源，如具有极低噪声的石英振荡器，已成为21世纪电子行业无可争议的标准。测量、数据传输、导航和雷达等应用都对信号源提出了最高要求。虽然所有这些应用都依赖于高性能的信号源，但最重要的参数可能是不同的。在电信领域，抖动值很重要，因为它可以用来推算数据传输过程中的误码率。在计量学中，相位噪声很重要，振荡器通常以相位噪声曲线为区分特征。导航应用从极其稳定的参考时钟中受益匪浅。如果在GNSS接收机上发生时间参考的不可控偏差，位置测定的准确性会恶化一到两个数量级。这些例子和其他例子表明了高度稳定的振荡器在各种应用中的重要性。

图1 正弦信号中随机的、随时间变化的相位误差（Δφ）。

图2 石英晶体技术TCXO和KVG超低相位噪声OCXO的相位噪声图。

图3 网络分析仪中的信号混合原理(a)。输入信号与LO噪声信号混合的效果(b)。资料来源：经罗德与施瓦茨许可修订。

图4 16-QAM星座图(a)。相位噪声对星座图的模糊影响(b)。资料来源：经罗德与施瓦茨许可修订。

图5 使用GNSS系统确定位置。

图6 使用参考振荡器改善相位噪声。资料来源：经罗德与施瓦茨许可修订。

图7  雷达信号经历了一个移动物体的频率偏移(a)。噪声载波信号可以掩盖多普勒位移的反射信号(b)。