相位噪声、抖动和艾伦偏差 – 比较和区别

相位噪声（Phase noise）

在射频和微波电子学中，相位噪声通常是查看和分析噪声的方法。具有低相位噪声频率源至关重要，因为相位噪声限制了确定振荡器当前状态和可预测性的能力。随着时间的推移，具有良好的频率精度是件好事，但信号的纯度也很重要。较差的相位噪声限制了通信系统中可以传输和接收的数据量，并干扰了任何通信系统中可用带宽的最有效使用。传统上，在任何模拟、射频或微波应用中，工程师都喜欢在频域中处理相位噪声。

 

从直观的角度来看，相位噪声可能是可视化信号纯度的最佳方式。如果您有一个 100 MHz 的晶体振荡器或其他频率信号，那么您希望信号的所有能量都精确到 100 MHz。但是，当在频率分析仪上查看时，它甚至可以显示最佳频率源的输出功率，虽然大部分功率在 100 MHz，但也发现一些功率位于非常接近载波 （100 MHz） 的频率上。您离载波越远，噪音就越小。精密石英晶体振荡器实际上是最好的低噪声源，因为石英具有最高的“Q”或品质因数。但在现实世界中，没有一个频率源是完美的。任何给定偏移（与载波的距离）的噪声量均以 dBc/Hz 为单位。

请记住，对于晶体振荡器，相位噪声很低。dBc/Hz 刻度是对数的，因此一个好的晶体振荡器的相位噪声，即使在与载波最近的偏移处（如 10 Hz）也可能约为 -95 dBc/Hz，与载波频率本身的能量密度相比，这是非常非常低的，而 1 MHz 和远离载波的相位本底可能低至 -174 dBc/Hz。

 

抖动 （Jitter）

相比之下，在电信行业，传统上使用抖动在时域中分析噪声。在本质上是数字的电信中，抖动是周期性信号与真实周期性的偏差。相位噪声分析的是频域中信号的纯度，而抖动分析的是所研究的方波信号中每个周期的时序精度。

在电信和其他数字应用中，低抖动对于最大限度地降低误码率 （BER） 非常重要。BER 是衡量数字系统中在给定时间段内将错过多少个运行周期的指标。显然，错过的周期意味着错过或损坏的数据。

 

一个完美的方波信号在每个周期中都是完全相同的时间段。抖动是衡量数字定时信号接近此定时完美的程度的指标。由于主时钟会处理任何更短或更接近的噪声，因此可以并且以多种不同方式测量和表征的抖动被视为远离载波频率的 12 KHz 至 20 MHz 的所有相位抖动的积分。这一传统沿用至今，至今仍是指定和测量大多数抖动的方式。

 

艾伦方差 (Allan variance)

最后，Allan 方差是一种统计方法，可以对短期稳定性进行有意义的表征。使用中有一些不同的修改，也许最常见的是 Allan Deviation 或 ADEV。虽然非常接近的相位噪声是检查信号短期稳定性和纯度的有用技术，但一旦您真正靠近载波，例如距离载波一秒甚至更近，几乎不可能以可重复的方式准确和精确地测量单个的相位噪声。 因此，Allan Deviation 涉及进行许多此类测量，然后对数据集进行统计分析，以有意义地表示信号的非常短期的稳定性。