双相位锁定回路助力数位中频系统摆脱时钟抖动

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[导读] 本文根据光纤接入数位中频系统的时钟使用情况，分析时钟抖动对类比数位转换器（ADC）和相位锁定回路（PLL）性能影响的塬理，包括相位锁定回路基本原理和相位杂讯优化方式，最后提出采用双相位锁定回路完成去抖和时钟分发的解决方案。
关键词：中频系统光纤接入数模转换器时钟抖动

本文根据光纤接入数位中频系统的时钟使用情况，分析时钟抖动对类比数位转换器（ADC）和相位锁定回路（PLL）性能影响的塬理，包括相位锁定回路基本原理和相位杂讯优化方式，最后提出采用双相位锁定回路完成去抖和时钟分发的解决方案。
无线射频远端装置（RRU）、数位光纤直放站等常见的数位中频系统，其设备中的时钟讯号多从近端通过光纤传输过来。由于光纤传输的色散影响，原有时钟参考讯号在通过光口晶片后，其抖动指标会恶化。而在远端设备中，这个时钟讯号将会做为整个系统的参考时钟，包括ADC、数位类比转换器（DAC）、调製器和相位锁定回路等。如果这个参考时钟讯号的抖动性能不佳，将会造成系统中上述元件的性能恶化，所以在光纤接入的数位中频系统中，时钟抖动设计非常重要。
时钟相位杂讯影响ADC性能
讯噪比（SNR）是数位中频系统中的ADC受关注的指标，这个指标会影响系统的动态范围。一般设计好的高速ADC，其SNR则固定。比如AD6649在95MHz频宽和245.76MSPS的取样速率条件下，SNR为73.4dBFs。这个指标的前提是ADC的参考时钟抖动指标非常好，如果系统提供给ADC的时钟抖动不好，则会恶化实际SNR水准（图1）。

图1 实际SNR取决于系统工作频率和时钟抖动
为什么会出现上述现象？如图2所示，采样时钟的抖动在输入讯号投影误差的大小会随着采样时钟自身抖动增加而增加；同时，如果输入讯号的速率（或频率）增加，其瞬态斜率也会增加，那么投影误差也会相应增加。图2亦解释图1公式的原因，所以对于数位中频系统的ADC须要提供优异的时钟讯号，特别是输入中频愈高时，愈须要考虑这个问题。

图2 采样时钟的抖动在输入讯号投影误差的大小会随着采样时钟自身抖动增加而增加。（a表示ADC的采样时钟波形，b则表示一个输入类比讯号的瞬态截图。c表示採样的误差范围。）
到底需要多小的抖动才能够满足系统的ADC需求？不同输入频率，在不同抖动水准下，可以达到不同的最大SNR水准。举例来说，当输入频率为200MHz，系统时钟抖动为200fs水准时，可以达到72dB的SNR水準。
为方便工程师衡量系统受抖动影响SNR的水准，已有业者提供线上ADC性能模拟软件。工程师透过该软件可以选择ADC型号后，输入时钟的抖动水准，以得出SNR实际水准和杂散无杂讯动态范围（SFDR）水準。
时钟对相位锁定回路影响分析
在数位中频系统中，参考时钟还会提供给相位锁定回路做为输入参考频率。相位锁定回路的相位杂讯好坏会影响到接收链路的误差向量幅度（EVM），这是因为输入参考频率的近端相位杂讯进入相位锁定迴路后，并不会被相位锁定迴路的低通滤波器抑制，而会影响到相位锁定回路输出的近端相位杂讯水準，故近端相位杂讯系统是接收机EVM指标的主要影响因素。比较两个不同参考相位杂讯对于同一个相位锁定迴路晶片的近端相位杂讯影响，由于相位锁定回路的参考时钟近端相位杂讯不同，可以发现1kHz频率处，相位杂讯分别为-96dBc/Hz和-89dBc/Hz。
根据相位锁定回路输出的相位杂讯（抖动）水准和输出频率，可以计算其对系统EVM的影响水準（图3）。因此可以得出结论--参考时钟相位杂讯影响相位锁定回路近端相位杂讯、相位锁定回路近端相位杂讯影响系统接收机EVM指标。

图3 计算PLL输出的相位杂讯水准和输出频率对系统EVM的影响水准。相位杂讯产生原因分析

根据上述分析，时钟抖动对于系统中的ADC和相位锁定回路都有非常明显的影响，那么如何才能在数位中频系统中获取更好的时鐘相位杂讯呢？首先，要理解在数位中频系统中核心元件，例如相位锁定迴路的基本工作原理。相位锁定回路其实是一个数位类比混合元件，包括数位的相位侦测器和分频器以及类比的电流泵、低通滤波器和压控振荡器（VCO）。相位锁定回路是一个负反馈系统，它通过频率讯号的负反馈和相位侦测比较，使得VCO在稳定的控制电压下工作，从而达到稳定输出频率的作用。
图4是频谱仪观测结果，a线为相位锁定回路输出的相位杂讯相对频率水准、b线为VCO的相位杂讯水準被相位锁定回路的高通滤波回应抑制低频部分；c线则是外部参考输入相位杂讯的倍频增益产物，它的高频杂讯被相位锁定回路的低通回应所抑制，但是低频（也称之近端）相位杂讯被保留。恰恰是这个特性导致若相位锁定迴路的输入参考的相位杂讯不好或者低通滤波器的截止频率不够低，就会让参考时鐘相位杂讯被搬移到相位锁定回路的输出端。

图4 Inter-N形式PLL合成器相位杂讯（a线表示PLL输出的相位杂讯相对频率水準，b线表示VCO相位杂讯水準，c线是外部参考输入相位杂讯的倍频增益产物）
使用低环路滤波器去抖动
根据上述分析，系统为提高时钟近端相位杂讯水准，就须要提高参考时钟的相位杂讯水准或者降低相位锁定迴路低通滤波器的频率。而在光纤接入数位中频系统中，参考时钟是从光口恢复的，它本身就存在近端相位杂讯（抖动）恶化的问题。如何解决这个矛盾呢？只能从降低低通滤波器频率下手。如图5所示，AD9523在设计中使用了两个相位锁定回路，第一个相位锁定回路接外部的参考时钟（光口恢复的），采取非常低的低通滤波器设置（10Hz~100Hz）。它可以将参考时钟近端相位杂讯良好滤除，而相位锁定回路外接的压控晶体振荡器（VCXO）可以提供很好的近端相位杂讯，这样保证不会因为低通滤波器频率低而将VXCO的近端杂讯抬高（註：这裡对于VXCO来说低通滤波器变为高通滤波回应）。这样第一个相位锁定回路就可以将参考时钟近端相位杂讯很好的抑制。而第二个相位锁定回路采用高频率VCO（3，600MHz？4，000MHz）和70MHz的相位侦测频率。这样可以降低杂讯频率增益的同时，获取更多的频率组合（系统中有时需要不同频率的工作时钟，VCO须要工作在它们的最小公倍数的整数倍）。

图5 双相位锁定回路可滤除相位杂讯并获得良好频率组合。

mque7uIj

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