ZHCAFG6 June 2025 LMX2615-SP , LMX2624-SP
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简介
本应用简报展示了使用 FSWP50 在 LMX2615 和 LMX2624 输出端通过两个不同输入基准源测量的 Allan 偏差的器件结果。功率定律对振荡器频谱内容的依赖性是一种已知现象。在处理闪烁和频率随机漂移时，这些噪声过程的经典方差可能会分散或变得不可靠。为了解决这个问题，引入了 Allan 方差。Allan 偏差（2 样本偏差）是 Allan 方差的平方根，该平方根是描述振荡器在时域中短期稳定性的标准方法。Allan 偏差用于测量振荡器在噪声处理影响（而不是系统误差或温度影响）下具有的稳定性。Allan 偏差是测量值，显示 x 轴上不同时间间隔内 y 轴上的频率不稳定性。为了正确测量较长测量时间间隔下的随机频率波动，必须减去振荡器（基准源）的老化。Allan 偏差图可用于比较不同的基准振荡器并用于选择首选振荡器（低噪声）。Allan 偏差用于气象学、原子钟等各个领域的应用。对于 100MHz 的振荡器，在频率 RMS 变化为 1 × 10-11 × 100MHz 时，即 10-3 (1MHz) 时，可以看到一秒钟观察窗口的 Allan 偏差为 1 × 10-11。在一秒窗口内采集的任何随机样本的频率 RMS 变化为 1MHz。
Allan 偏差测量选项
可以通过多种方法来测量时域和频域中的 Allan 偏差。时域中的一种方法是基于频率计数器的方法。精度取决于测量时间增加时所需频率计数器的分辨率和存储器。另一种方法是频域方法，其中使用相位噪声数据来推导 Allan 偏差。
R&S FSWP50 提供了这种快速的方法。此特性使用相位噪声分析仪中的信息测量 Allan 偏差。R&S 声明，通过将相位噪声观测窗口向下扩展至 1MHz，FSWP50 可用于测量至 103 秒。
相对于时间，Allan 偏差图中有多个区域。这些是白相区、闪烁相区、白色频率区、闪烁频率区和随机游走频率区。图 1 中示出了这些区域。
使用 R&S FSWP50 测量 Allan 偏差存在一些限制，如表 1 所示。
| Allan 偏差 | Allan 变化 | |
|---|---|---|
| 频率范围 | R&S®FSWP8 | 1MHz 至 8GHz |
| R&S®FSWP26 | 1MHz 至 18GHz | |
| R&S®FSWP50 | 1MHz 至 50GHz | |
| 测量范围 | Tau | 100ns 至 1 000 000s |
| Allan 偏差 | 内部基准频率，具有 R&S®FSWP-B61 选项 | Tau = 1s 时为 1.0 × 10-13（标称值） |
| Tau = 1000s 时为 1.1 × 10-11（标称值） | ||
| 具有高度稳定外部基准的基准频率，基准环路带宽 100Hz | Tau = 1s 时为 8.8 × 10-14（标称值） | |
| Tau = 1000s 时为 7.0 × 10-15（标称值） |
使用 B61 选项时，只能测得 1*10-13（Tau = 1 秒时）。要测量低于该值的电压，必须使用外部基准。根据用于 LMX2615 和 LMX2614 的基准源，确定外部源相位噪声要求。
Allan 偏差测量数据
此应用简报使用了两个差分基准源来评估 LMX2615 和 LMX2624 输出端的 Allan 偏差。本应用简报中展示了表 2 中各案例下的器件结果。
| 案例 | 基准源 | 输出频率和器件 |
|---|---|---|
| 1 | SMA100B，100MHz | 8GHz，LMX2615 |
| 2 | Wenzel，100MHz | 8GHz，LMX2615 |
| 3 | SMA100B，100MHz | 8GHz，LMX2624 |
| 4 | Wenzel，100MHz | 8GHz，LMX2624 |
情况 1：8GHz 输出下的 LMX2615，SMA100B 100MHz 基准
图 1 示出了 100MHz 输入基准源和 LMX2615 8GHz 输出条件下的 Allan 偏差和 Allan 方差。本底闪烁频率取决于所用基准类型和 PLL 噪声。闪烁本底在基准中接近 300ms 的时间间隔，并在 8GHz 的输出处沿用。
图 1 8GHz 输出下的 LMX2615，SMA100B 100MHz 基准情况 2：8GHz 输出下的 LMX2615，Wenzel 100MHz 基准
图 2 8GHz 输出下的 LMX2615，Wenzel 100MHz 基准- 与传播到 8GHz 输出的 SMA100B 源相比，Wenzel 源已降级 1 秒和 3 秒数字。
基准源对于 LMX2615 输出的 Allan 偏差起着至关重要的作用。
情况 3：8GHz 输出下的 LMX2624，SMA100B 100MHz 基准
图 3 8GHz 输出下的 LMX2624，SMA100B 100MHz 基准情况 4：8GHz 输出下的 LMX2624，Wenzel 100MHz 基准
图 4 8GHz 输出下的 LMX2624，Wenzel 100MHz 基准Allan 偏差数据汇总
随着 Tau 增大（如表 3 中所示），由于限制来自输入基准源，LMX2615 和 LMX2624 都给出了类似的结果。这对 Wenzel 和 SMA100B 基准均有效。
| Tau（在 8GHz 时） | SMA-LMX2615 | SMA-LMX2624 | Wenzel-LMX2615 | Wenzel-LMX2624 |
|---|---|---|---|---|
| 10msec | 3.19e-12 | 3.4e-12 | 2.75e-12 | 5.45e-12 |
| 100msec | 4.6e-13 | 4.88e-12 | 1.54e-12 | 2.13e-12 |
| 1sec | 3.23e-13 | 3.26e-13 | 5.076e-12 | 5.33e-12 |
| 3sec | 6.62e-13 | 6.49e-13 | 8.46e-12 | 10.37e-12 |
基准源分析
图 5 SMA100B 与 Wenzel 100MHz 相位噪声比较| Tau 处的 Σ（Allan 偏差） | SMA100B(100MHz) | Wenzel(100MHz) |
|---|---|---|
| 1msec | 4.9e-12 | 2.1e-12 |
| 10msec | 1.19e-12 | 1.5e-12 |
| 100msec | 2.56e-13 | 1.44e-12 |
| 1sec | 3.38e-13 | 7.36e-12 |
| 3sec | 6.98e-13 | 13.6e-12 |
观察结果
讨论的所有上述情况均涉及 100MHz 以及用于基准输入的接近 10dBm 的功率。但对于某些情况，由于低成本实现，基准频率较低，例如 5 或 10MHz。这些情况下压摆率低，PLL 噪声增加。图 6 是 LMX2615 中的基准为 5MHz 的情况。
图 6 8GHz 输出下的 LMX2615，SMA100B 5MHz 基准参考资料
- IEEE：关于 Allan 方差及其优缺点发展的历史回顾
- Rohde 和 Schwarz，时域振荡器稳定性测量 Allan 方差，应用手册。
- IEEE，振荡器相位噪声：50 年回顾
- Rohde 和 Schwarz，R&S FSWP 相位噪声分析仪规格。