抖動(dòng)的概念和抖動(dòng)的測(cè)量方法

抖動(dòng)的概念和抖動(dòng)的測(cè)量方法

在數(shù)字通信系統(tǒng)，特別是同步系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的不斷提高，時(shí)間抖動(dòng)成為影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本文介紹了時(shí)間抖動(dòng)（jitter）的概念及其分析方法。
關(guān)鍵字：時(shí)間抖動(dòng)、jitter、相位噪聲、測(cè)量

一、引言
隨著通信系統(tǒng)中的時(shí)鐘速率邁入GHz級(jí)，抖動(dòng)這個(gè)在模擬設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵的因素，也開始在數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域中日益得到人們的重視。在高速系統(tǒng)中，時(shí)鐘或振蕩器波形的時(shí)序誤差會(huì)限制一個(gè)數(shù)字I/O接口的最大速率。不僅如此，它還會(huì)導(dǎo)致通信鏈路的誤碼率增大，甚至限制A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。有資料表明在3GHz以上的系統(tǒng)中，時(shí)間抖動(dòng)（jitter）會(huì)導(dǎo)致碼間干擾（ISI），造成傳輸誤碼率上升。
在此趨勢(shì)下，高速數(shù)字設(shè)備的設(shè)計(jì)師們也開始更多地關(guān)注時(shí)序因素。本文向數(shù)字設(shè)計(jì)師們介紹了抖動(dòng)的基本概念，分析了它對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并給出了能夠?qū)⑾辔欢秳?dòng)降至最低的常用電路技術(shù)。
二、時(shí)間抖動(dòng)的概念

在理想情況下，一個(gè)頻率固定的完美的脈沖信號(hào)（以1MHz為例）的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該恰好是1us，每500ns有一個(gè)跳變沿。但不幸的是，這種信號(hào)并不存在。如圖1所示，信號(hào)周期的長(zhǎng)度總會(huì)有一定變化，從而導(dǎo)致下一個(gè)沿的到來時(shí)間不確定。這種不確定就是抖動(dòng)。
抖動(dòng)是對(duì)信號(hào)時(shí)域變化的測(cè)量結(jié)果，它從本質(zhì)上描述了信號(hào)周期距離其理想值偏離了多少。在絕大多數(shù)文獻(xiàn)和規(guī)范中，時(shí)間抖動(dòng)（jitter）被定義為高速串行信號(hào)邊沿到來時(shí)刻與理想時(shí)刻的偏差，所不同的是某些規(guī)范中將這種偏差中緩慢變化的成分稱為時(shí)間游走（wander），而將變化較快的成分定義為時(shí)間抖動(dòng)（jitter）。

圖1 時(shí)間抖動(dòng)示意圖

1．時(shí)間抖動(dòng)的分類
抖動(dòng)有兩種主要類型：確定性抖動(dòng)和隨機(jī)性抖動(dòng)。
確定性抖動(dòng)是由可識(shí)別的干擾信號(hào)造成的，這種抖動(dòng)通常幅度有限，具備特定的（而非隨機(jī)的）產(chǎn)生原因，而且不能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
隨機(jī)抖動(dòng)是指由較難預(yù)測(cè)的因素導(dǎo)致的時(shí)序變化。例如，能夠影響半導(dǎo)體晶體材料遷移率的溫度因素，就可能造成載子流的隨機(jī)變化。另外，半導(dǎo)體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動(dòng)。
2．時(shí)間抖動(dòng)的描述方法
可以通過許多基本測(cè)量指標(biāo)確定抖動(dòng)的特點(diǎn)，基本的抖動(dòng)參數(shù)包括：
1)周期抖動(dòng)（period jitter）
測(cè)量實(shí)時(shí)波形中每個(gè)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的周期的寬度。這是最早最直接的一種測(cè)量抖動(dòng)的方式。這一指標(biāo)說明了時(shí)鐘信號(hào)每個(gè)周期的變化。
2)周期間抖動(dòng)（cycle-cycle jitter）
測(cè)量任意兩個(gè)相鄰時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的周期寬度的變動(dòng)有多大，通過對(duì)周期抖動(dòng)應(yīng)用一階差分運(yùn)算，可以得到周期間抖動(dòng)。這個(gè)指標(biāo)在分析瑣相環(huán)性質(zhì)的時(shí)候具有明顯的意義。
3)時(shí)間間隔誤差（timer interval error，TIE）
測(cè)量時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的每個(gè)活動(dòng)邊沿與其理想位置有多大偏差，它使用參考時(shí)鐘或時(shí)鐘恢復(fù)提供理想的邊沿。TIE在通信系統(tǒng)中特別重要，因?yàn)樗f明了周期抖動(dòng)在各個(gè)時(shí)期的累計(jì)效應(yīng)。
3．時(shí)間抖動(dòng)的頻域表示——相位噪聲
相位噪聲是對(duì)信號(hào)時(shí)序變化的另一種測(cè)量方式，其時(shí)間抖動(dòng)（jitter）在頻率域中的顯示。圖2用一個(gè)振蕩器信號(hào)來解釋相位噪聲。

如果沒有相位噪聲，那么振蕩器的整個(gè)功率都應(yīng)集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率擴(kuò)展到相鄰的頻率中去，產(chǎn)生了邊帶(sideband)。從圖2中可以看出，在離中心頻率一定合理距離的偏移頻率處，邊帶功率滾降到1/fm，fm是該頻率偏離中心頻率的差值。
相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)的總功率比值。

圖2 相位噪聲示意圖

三、時(shí)間抖動(dòng)的分析手段
1．統(tǒng)計(jì)特性和統(tǒng)計(jì)直方圖
由于所有包含jitter的信號(hào)中都有隨機(jī)成分的存在，因此統(tǒng)計(jì)計(jì)算被廣泛應(yīng)用在jitter性能的評(píng)估中。常用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)有平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值、峰峰值等。通常采用直方圖的形式來形象的描述jitter的這些統(tǒng)計(jì)特性。
統(tǒng)計(jì)直方圖的橫坐標(biāo)是jitter的大小，縱坐標(biāo)是jitter在某一區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的頻率。當(dāng)測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)，直方圖是對(duì)jitter大小的概率密度函數(shù)的一個(gè)很好的估計(jì)，因此在通過jitter估計(jì)系統(tǒng)誤碼率時(shí)，統(tǒng)計(jì)直方圖發(fā)揮著及其重要的作用。

圖3 隨機(jī)抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)直方圖圖4 周期抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)直方圖

需要注意的是直方圖中不包含每個(gè)jitter點(diǎn)發(fā)生的先后順序，因此不能用來顯示jitter中存在的周期性信息。
2．Jiiter—時(shí)間曲線和Jitter的頻率譜
由于統(tǒng)計(jì)直方圖不能顯示Jitter中存在的調(diào)制或周期性成分信息，這時(shí)可以用Jitter－時(shí)間曲線來描述Jitter隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。曲線的橫坐