用DSP實現(xiàn)抖動（Jitter）測量的方法

近年來,抖動（Jitter）已經(jīng)成為通信工程師非常重視的信號特征。在數(shù)字系統(tǒng)中,時鐘頻率正在變得越來越高。隨著速率的升組,在上升沿或是下降沿哪性是微小的變化也變得越來越重要。因為時鐘或數(shù)據(jù)的抖動會影響到數(shù)據(jù)的完整性、建立時間和保持時間。并且在考慮信號速率與傳輸距離之間的折中時,抖動也成為必須考慮的因素。

　　抖動會使數(shù)字電路的傳輸性能惡化,由于信號上升沿或是下降沿在時間軸上的正確位置被取代,在數(shù)據(jù)再生的時候,數(shù)據(jù)比特流中就會引入錯誤。在合并了緩沖存儲器和相位比較器的數(shù)字儀表中,由于數(shù)據(jù)溢出或是損耗,錯誤就會引入到數(shù)字信號中。此外,在數(shù)模變換電路中,時鐘信號的相位調(diào)制會使恢復(fù)出的采樣信號惡化,這在傳輸編碼的寬帶信號時會造成問題。

　　抖動分為系統(tǒng)抖動和隨機(jī)抖動。

　　（1）系統(tǒng)抖動是在信號再生電路時間上不準(zhǔn),或是碼是串?dāng)_,或是在幅頻轉(zhuǎn)換中的不準(zhǔn)確的電纜均衡造成的。系統(tǒng)抖動取決于系統(tǒng)的性能。

　?。?）隨機(jī)抖動來源于內(nèi)部或是外部的干擾信號,如噪聲、串?dāng)_、反射等。隨機(jī)抖動與傳輸信號的系統(tǒng)無關(guān)。

　　系統(tǒng)抖動與不同的脈沖再生電路的脈沖的模式有關(guān),會連續(xù)地積累。隨機(jī)抖動則與脈沖再生電路的脈沖模式無關(guān),而且也不會連續(xù)地積累;在大多數(shù)低速率的數(shù)字系統(tǒng)中,系統(tǒng)抖動占主導(dǎo)地位;而在高速系統(tǒng)中,隨機(jī)抖動變得越來越重要,甚至?xí)紦?jù)主導(dǎo)地位。

　　干擾性的抖動可以利用信號再生電路劃中利用“去抖動”電路來減弱其影響。這種“去抖動”電路來減弱其影響。這種“去抖動”電路包括了一個帶有窄帶相位平滑電路的信號緩沖器。信號再生電路只能將抖動頻率高于時鐘再生電路的截止頻率的抖動成分減小,而低頻的抖動成分則仍然會出現(xiàn)在輸出信號或是信號再生電路中。在這種情況下,抖動被傳輸?shù)捷敵鲂盘栔?信號再生電路此時就象是一個低通濾波器。

　　抖動測量方法

　　傳統(tǒng)的抖動測量采用模擬測試的方法。圖1給出了傳統(tǒng)模擬測量方法的原理框圖,它是將數(shù)據(jù)信號與基準(zhǔn)時鐘信號相比較,使用相位探測器的平均輸出。模擬測量方法帶來了很多問題,這都是因為相位探測器將相位表達(dá)成一個模擬電壓引起的。

　　以下是用模擬方法測試抖動的缺點(diǎn)：

　　*時鐘恢復(fù)限制了抖動測量的帶寬;

　　*時間恢復(fù)由于自由運(yùn)行頻率的偏移引入了抖動噪聲;

　　*大動態(tài)范圍要求大頻率分割,導(dǎo)致產(chǎn)生了起出相位探測器范圍的低頻脈沖,進(jìn)一步限制了測量的帶寬;

　　*模擬電壓受制于由噪聲和寄生電容產(chǎn)生的負(fù)面影響;

　　*模擬電壓的范圍受制于電源電壓的范圍;

　　*基準(zhǔn)恢復(fù)由于其帶寬小獲得鎖相很慢。

　　隨著DSP技術(shù)、ADC應(yīng)用技術(shù)和ASIC技術(shù)的發(fā)展,抖動分析跟隨著科技從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變進(jìn)程,發(fā)展了基于數(shù)字分析的抖動測量方法。基于數(shù)字的抖動分析方法有先進(jìn)得多的特性,能使工程師們?yōu)橄乱淮O(shè)計的測試和分析作更充分的準(zhǔn)備。

　　上面圖2給出了基于數(shù)字分析的抖動測量方法的原理框圖。這里的目標(biāo)是將每個NRZ沿用二進(jìn)制數(shù)作時間標(biāo)記,其中計數(shù)器最低位（LSB）權(quán)值就是時間間隔分辨率。時間間隔計數(shù)器完成時間標(biāo)記功能,通過數(shù)字處理標(biāo)記出抖動大小,再經(jīng)過數(shù)字濾波器提供抖動測量所需的高通和低通濾波。在濾波過程中,可實現(xiàn)分辨率中兩個最佳位。抖動得到進(jìn)一步的處理以檢測峰峰值、真有效值或其它參數(shù),比如頻譜容量。

　　數(shù)字化的抖動測量有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

　　*具有更寬的帶寬和更低的噪聲,因為它不需要時鐘恢復(fù)。

　　*具有更寬的帶寬和更光滑的頻率響應(yīng),因為數(shù)字相位探測器將每個NRZ沿以時間標(biāo)記（不需要對模擬脈沖作平均處理）。

　　*具有更低的抖動噪聲,因為數(shù)字時間標(biāo)記不受噪聲的影響。

　　*增益誤差率只有0.01%,因為信號處理是完全數(shù)字化的。

　　*動態(tài)范圍超過4000UIp-p,同時保持0.01UI的分辨率。

　　*測量時沒有延時,因為不使用鎖相環(huán)信號去獲取時鐘。

　　數(shù)字式抖動測試儀的研制

　　數(shù)字式抖動測試儀的基本要求是完成對2.048MHz的鎖相時鐘進(jìn)行相位抖動測試,具體要求按ITU-TG.823建議執(zhí)行。設(shè)計方案采用數(shù)字方法測試抖動。數(shù)字抖動測試方法中關(guān)鍵的就是計數(shù)器的設(shè)計,本設(shè)計選用的計數(shù)器的計數(shù)時鐘頻率為100MHz。但是為了保證測試抖動的精度要求,對于100MHz記數(shù)產(chǎn)生的誤差信號,專門設(shè)計了誤差脈沖展寬電路,以提高測試精度。圖3給出了數(shù)字式抖動測試儀的功能框圖。

　　研制的抖動測試儀主要包括以下模塊：時鐘記數(shù)、脈沖展寬、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理。其中除了脈沖展寬模塊是模擬電路外,其余的3個模塊都是數(shù)字電路,所以該設(shè)計是一種數(shù)字與模擬的混合電路。在設(shè)計中,考慮到算法的復(fù)雜性和靈活性,開發(fā)時間的緊迫性以及系統(tǒng)的要求,選用了德州儀器（TI）的TMS320F206。

　　DSP選擇

　　TMS320F206是德州儀器公司用靜態(tài)CMOS技術(shù)集成的DSP芯片,屬于TMS320C2000系列。這是一種低功耗器件,采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),有1條程序總線和3條數(shù)據(jù)總線,有高度并行性的算術(shù)邏輯單元ALU、專用硬件邏輯、片內(nèi)存儲器、片內(nèi)外設(shè)和高度專業(yè)化的指令集,從而使該芯片速度高、操作靈活。TMS320F206有224K的尋址能力、3個外部中斷、1個同步串口和一個異步串口,最高時鐘為40MHz。由于每秒需處理數(shù)據(jù)2Mbit,每個符號采樣兩次,所以實際數(shù)據(jù)速率是4Mbps。通過其算法來估計其運(yùn)算量,40MIPS的處理能力完全可以滿足其要求。在設(shè)計中使用了1個外部中斷,一個異步串口。異步串口和PC機(jī)的串口相連接,將DSP計算結(jié)果送回到PC機(jī)顯示。

　　時鐘記數(shù)模塊

　　該模塊主要作用有以下幾個：

　　①對二分頻后的2MHz時鐘信號用100MHz的時鐘進(jìn)行記數(shù);

　?、谟?00MHz時鐘對2MHz信號記數(shù),產(chǎn)生誤差脈沖;

　?、蹖φ箤捄蟮恼`差脈沖用100MHz的時鐘進(jìn)行記數(shù);

　?、墚a(chǎn)生與數(shù)據(jù)存儲模塊接口的寫時鐘和寫使能信號;

　　⑤將2MHz的記數(shù)值和展寬的誤差脈沖記數(shù)值通過一路8位的數(shù)據(jù)總線分時輸出。

　　此模塊的設(shè)計主要是用一塊XILINX公司的CPLD XC95108來完成的。

　　脈沖展寬模塊

　　脈沖展寬模塊是為了提高測試抖動的精度,這是本設(shè)計中非常關(guān)鍵的一個模塊。本設(shè)計測試抖動其實就是精確地測試出每個周期的時間,只有測試的時間精度提高,最終測試抖動才能達(dá)到要求的精度。若無脈沖展寬電路,僅用100MHz的時鐘記數(shù)的話,則單個周期的測時的最大誤差將會是20ns,這樣根本無法滿足抖動測試的精度要求。

　　為了測出小于度量單位的一個物理量的值,我們很容易地想到只要將該物理量放大一個固定的倍數(shù)后,使該放大后的物理量可測,此時只要測出該物理量后除以該放大倍數(shù),即可得到原先的物理量的值。該模塊的設(shè)計就利用了這樣的思路。具體是利用LM234產(chǎn)生兩個恒流源,分別做為一個電容的充電電流和放電電流。利用充放電電流的不同產(chǎn)生斜率不同的充電曲線,再與一參考電壓進(jìn)行比較,即可得到一展寬的脈沖。具體的脈沖展寬電路是用兩個三級管完成充放電工作和比較電路。三級管的型號是2SC3357,2SC3357是高頻三級管,其工作頻率可達(dá)到2GHz。選用高頻三級管對此設(shè)計相當(dāng)重要,因為要測的誤差脈沖其時間只有幾個ns。

　　數(shù)據(jù)存儲模塊

　　數(shù)據(jù)存儲模塊主要是作為時鐘記數(shù)模塊所記數(shù)據(jù)的緩沖器,在時鐘記數(shù)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊之間充當(dāng)接口。正如前面所介紹的,選用了一片選進(jìn)先出（FIFO）芯片,型號是IDT72230。此型號的FIFO具有2K×8的存儲空間。在FIFO的數(shù)據(jù)全滿后,由IDT72230的FF（全滿標(biāo)志引腳）向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送中斷請求信號。而數(shù)據(jù)處理模塊中的DSP會從FIFO中將這2K數(shù)據(jù)讀出來。

　　數(shù)據(jù)處理模塊

　　數(shù)據(jù)處理模塊以DSP為核心,來對記數(shù)器記得的值進(jìn)行處理,最終算得Jitter的值。DSP中用到了中斷口IT1,當(dāng)FIFO滿時,從FIFO中讀出2K個數(shù)據(jù)。而DSP與外部的通信則用的是異步串口。

　　調(diào)試

　　由于系統(tǒng)工作于較高的頻率,計數(shù)器為100MHz,DSP為40MHz,DSP的外圍設(shè)備一般為20MHz,最高為40MHz,因而在系統(tǒng)設(shè)計中,必須注意高頻影響。

　　在布線時,特意把數(shù)據(jù)和地址成組布線,以降低對其它信號的影響。對一些關(guān)鍵的控制線。如存儲器讀寫信號和FIFO讀寫信號,在其兩邊都加上了地線保護(hù)特別是FIFO的讀寫信號,由于其對干擾特別敏感。對一些較長的引線,可串接一個30Ω的小電阻或加終端匹配以減小反射。

　　在軟件設(shè)計中,采用C語言和匯編語言混合編程。具體的編程方法可查閱DSP的手冊。TI公司還提供了一個運(yùn)行庫（RuntimeLib）。用TI公司的JATG調(diào)試器進(jìn)行調(diào)試時,在DSP程序中調(diào)用運(yùn)行庫的函數(shù),可以打開PC機(jī)上的文件獲取數(shù)據(jù),或?qū)SP的數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)并存入文件,或通過PC機(jī)鍵盤向DSP傳遞信息和發(fā)送命令,從而為調(diào)試帶來了極大的方便。

　　由于在本設(shè)計中采用了DSP技術(shù),使得開發(fā)的周期大為縮減,系統(tǒng)的靈活性也大大增強(qiáng)。隨著數(shù)字處理芯片（DSP）處理速率的加快,外圍通訊能力的加強(qiáng),以及數(shù)字信號處理的實時性的需要,其應(yīng)用范圍必將越來越廣泛。

發(fā)布者：小宇