时钟抖动对A/D变换器采样性能的影响

【摘要】时钟抖动时是影响ADC性能指标的重要因素。本文首先给出了时钟抖动和相位噪声的定义，并分析了二者之间的换算关系；然后给出了时钟抖动对A/D变换器的影响；最后结合某工程中的实测数据验证了时钟抖动对A/D变换器性能的影响。

【关键词】时钟抖动；相位噪声；信噪比

1.引言

在通信、雷达、导航以及声纳等军事领域中，信号的带宽比较宽（有的达到40～400 MHz） ，要采集这些高带宽的信号，A/D变换器的采样时钟至少要超过100MHz。在如此高的采样时钟下，如何获取高性能指标成为数据采集系统研究的重点。而采集信号的信噪比是采集系统性能指标的最重要一项。

采样时钟是A/D变换器的基本要素，随着采样输入信号的带宽和频率迅速提高，采样时钟频率也迅速提高，对采样时钟稳定度的要求也更高。采样时钟的抖动是时钟源的一种固有的性质，在高速高精度的A/D器件中，采样时钟抖动对A/D采样结果的影响不可忽视。

2.时钟抖动与相位噪声之间的关系

时钟信号的质量通常用抖动和相位噪声来描述。抖动包括：周期抖动、逐周期抖动和累计抖动。对于应用于数据采集系统的采样时钟，一般关注的是它的周期抖动，即时钟的连续周期间的偏差（抖动）。时钟源产生的抖动会使A/D变换器的内部电路错误地触发采样时间，结果造成模拟输入信号在幅度上的误采样，从而恶化A/D变换器的信噪比[1]。相位噪声则是在频域内对信号的相位抖动和相位调制的描述。

2.1 周期抖动的定义

周期抖动是实测周期和理想周期之间的时间差。其一般服从正态分布，一般采用均方根值来描述。

如图1所示，设T0表示理想时钟周期；Tt表示t时刻实测周期；J（t）PER表示为t时刻的随机抖动，如下：

2.2 相噪的定义

理想的无噪声时钟频率源，设其载频为f0，其对应的频谱是一个纯净的谱线，实际输出的信号总是存在噪声，这些噪声将对频率和振幅进行调制，所以实际的频谱总有一定的宽度如图2的左图所示[2]。

在频谱仪上可以观察到相位噪声是关于载波频率f0为中心对称。一般我们选取一个边带进行研究。

如图2所示，美国国家标准给出了单边带（SSB）相位噪声的定义为：偏离载波频率fmHz，在1Hz带宽内一个相位调制边带的功率PSSB与载波功率PS之比，即：

2.3 周期抖动和相噪之间的换算

文献[3]推导了周期抖动和相噪之间的换算并给出了公式如下：

（4）

目前国际上公认的标准是取f1=12kHz，f2=20kHz，即12KHz至20MHz的范围内的时钟周期抖动的均方根值。

对于A/D变换器来说，编码的带宽可以扩展数百MHz，因此，在考虑构成数据转换器抖动的噪声带宽时，需要考虑从直流至编码带宽的范围，而不是常用的12KHz至20MHz的典型范围。

3.A/D变换器输出的信噪比与时钟抖动之间的关系

在中频带通采样系统中，采样可以看作是一个混频过程，时域的乘法就等于频域的卷积，所以采样系统的输出频谱相当于时钟频谱与输入信号频谱的卷积，因此时钟源的抖动和相位噪声会完整地传递给采样输出。如图3所示得到：A/D变换器的参考时钟抖动随着输入中频的增加，A/D变换器输出的信噪比明显下降。

4.某A/D变换硬件电路及测试结果

在某数据采集电路中，我们选择A/D变换器器ISLA112P50，选择一款320MHz温补晶振，通过时钟驱动器ADCLK946作为A/D变换器的参考时钟，对以320MHz的采样频率对中频500MHz-600MHz范围内的信号进行采样。

5.结束语

A/D变换器是连接模拟域与数字域的桥梁，其性能无论是对通信、雷达、导航或者是声纳等系统性能影响至关重要。时钟抖动对A/D变换器性能尤其是A/D变换器输出信噪比的影响至关重要，本文揭示了时钟抖动、相位噪声及A/D变换器输出信噪比之间的关系，并在实际工程中进行了验证，对A/D变换器的设计及相应时钟参考的选择具有指导意义。

参考文献

[1]张瑞永.赵海云，陈国海，等.宽带数据采集系统的相位噪声分析[J].雷达科学与技术，2009，7.

[2]戈稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3]杨淑莉.信号时域抖动与频域相位噪声之间的关系[J].机械与电子，2010.

[4]陈羽，邓正森.通信系统时钟电路抖动及相位噪声分析[J].大众科技，2010.