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¿Cuál es la diferencia entre la fluctuación de sincronización y el ruido de fase?

Las tasas de transmisión de datos en serie siguen en aumento debido a una creciente demanda de mayor cantidad de datos, de manera más rápida. A medida que aumentan las tasas de transmisión de datos, los márgenes de tiempo disminuyen, lo que impulsa a los diseñadores a reducir la incertidumbre en la sincronización de datos. La estimación de la incertidumbre en la sincronización de datos puede tomar dos formas según la disciplina de la que la persona provenga. Los dos parámetros son la fluctuación y el ruido de fase.

El ruido de fase y la fluctuación indican la estabilidad temporal de una señal y están relacionados entre sí. Básicamente, estas son dos formas de caracterizar la incertidumbre en la sincronización de un reloj o un flujo de datos. El ruido de fase es la inestabilidad de la frecuencia de una señal, expresada en el dominio de la frecuencia, mientras que la fluctuación es una variación de la forma de onda de la señal en el dominio del tiempo.

La selección del dominio que se considerará generalmente depende de la aplicación: los ingenieros de RF (radiofrecuencia) generalmente observan el ruido de fase, mientras que los diseñadores digitales son más propensos a utilizar la fluctuación.

Definición y medición de la fluctuación y el ruido de fase

La fluctuación es la variación de la sincronización de una señal con respecto al ideal y generalmente se mide con un osciloscopio. La fluctuación puede tomar varias formas, incluyendo la fluctuación de borde o de fase (denominada error en el intervalo de tiempo), la fluctuación de período o la fluctuación de ciclo a ciclo (la diferencia entre los períodos de ciclos adyacentes). La fluctuación de cualquier tipo puede dividirse en dos componentes principales: fluctuación aleatoria o fluctuación determinista. Los componentes aleatorios generalmente son ilimitados, lo que significa que los valores de fluctuación máxima aumentan con el tiempo. Los elementos de fluctuación determinista son limitados y no aumentan con el tiempo. Cada uno de estos componentes principales incluye varios subcomponentes que están fuera del alcance de este artículo.

El ruido de fase observa la potencia de la señal adyacente al reloj fundamental en el dominio de la frecuencia. Las variaciones en la fase o en la frecuencia de la señal se manifiestan en el ancho de la línea espectral. Mientras la inestabilidad temporal sea mayor, más amplia será la línea espectral. La figura 1 nos proporciona un ejemplo.

Figura 1: Una comparación de la fluctuación (traza superior) y del ruido de fase (trazas inferiores) de una señal de reloj. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La traza superior es la vista de un borde de una señal de reloj de 100 megahercios (MHz). Se ve con la persistencia de visualización activada para brindarnos un historial de ubicaciones de borde. El borde del reloj se mueve horizontalmente en el tiempo. Esta variación es la fluctuación del borde del reloj. En este caso, hay aproximadamente 100 picosegundos (ps) de fluctuación de pico a pico.

Los trazos inferiores muestran vistas expandidas horizontalmente al espectro de frecuencia de la señal de reloj de 100 MHz, utilizando una pantalla de densidad de potencia. Hay cuatro espectros superpuestos que muestran las diferencias en el ancho espectral para valores de fluctuación de borde de 10, 50, 100 y 500 ps. Tenga en cuenta el ensanchamiento de la línea espectral para cantidades crecientes de fluctuación. El ruido de fase generalmente se mide con un analizador de espectro o un equipo de prueba de ruido de fase dedicado y generalmente se presenta con una desviación de frecuencia fija de la frecuencia fundamental del reloj. Por ejemplo, el ruido de fase podría especificarse como -96 decibeles en relación con la portadora (dBc) a 10 kilohercios (kHz) de compensación de la portadora.

Control de la fluctuación y del ruido de fase

Los diseñadores pueden controlar la fluctuación y el ruido de fase en las cadenas de distribución de reloj empleando generadores de reloj de bajo ruido de fase como el ADF4001BCPZ de Analog Devices. Ofrece un ancho de banda de 200 MHz y tiene una especificación de ruido de fase típica de -99 dB/Hz a una desviación de 1 kHz de la frecuencia de reloj (Figura 2).

Figura 2: El ADF4001BCPZ de Analog Devices es un generador de reloj de bajo ruido de fase de 200M Hz con una especificación de ruido de fase típica de -99 dB/Hz a 1 kHz de compensación de la frecuencia de reloj. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La distribución de un reloj a varios dispositivos requiere un búfer de reloj con retardo cero. Además de garantizar una desviación de tiempo muy baja, estos dispositivos también reducen la fluctuación debido a sus PLL (circuitos de sincronización de fase) internos. Por ejemplo, el búfer de retardo cero CY2308SXC-3T de Cypress Semiconductor tiene dos bancos de cuatro salidas. Opera en un rango de frecuencia de 10 a 133 MHz y ofrece una fluctuación típica de ciclo a ciclo de 60 ps en la salida (Figura 3).

Figura 3: El búfer de retardo cero CY2308SXC-3T de Cypress Semiconductor en un paquete 16-SOIC ofrece una fluctuación típica de ciclo a ciclo de 60 ps en la salida. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor)

Conclusión

Por lo tanto, la respuesta a la pregunta original es que el ruido de fase y la fluctuación son dos perspectivas diferentes de la misma información sobre el reloj o la estabilidad de la sincronización de los datos, considerando al ruido de fase como la vista en el dominio de la frecuencia y a la fluctuación como la interpretación del dominio del tiempo. Una buena selección de componentes ayuda a reducir ambos.

Información sobre el autor

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Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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