信號(hào)抖動(dòng)在不同情況下的分類 信號(hào)抖動(dòng)測(cè)試注意事項(xiàng)

　　ITU-T G.701標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抖動(dòng)的定義為：“抖動(dòng)是指數(shù)字信號(hào)在短期內(nèi)重要的瞬時(shí)變化相對(duì)于理想位置發(fā)生的偏移”。

　　還有一個(gè)跟抖動(dòng)很類似的概念，即漂移。一般情況下，抖動(dòng)是指發(fā)生得比較快的定時(shí)偏差，而漂移是指發(fā)生的比較慢得定時(shí)偏差。ITU把漂移和抖動(dòng)之間的門限定義為10Hz，偏移頻率大于10Hz的叫抖動(dòng)，小于10Hz的叫做漂移。

　　抖動(dòng)可以分為隨機(jī)性抖動(dòng)（RJ）和確定性抖動(dòng)（DJ），而確定性抖動(dòng)又可以分為周期性抖動(dòng)（PJ）、數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)（DDJ）和占空比抖動(dòng)（DCD）三種，如下圖所示：

　　縮略語：

　　TJ：Total Jitter 總抖動(dòng)

　　DJ：Deterministic Jitter 確定性抖動(dòng)

　　RJ：Random Jitter 隨機(jī)抖動(dòng)

　　PJ：Periodic Jitter 周期性抖動(dòng)

　　DDJ：Data Dependent Jitter 數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)

　　DCD：Duty Cycle Distortion 工作周期抖動(dòng)

　　TIE：Time Interval Error 時(shí)間區(qū)間誤差

　　RMS：Root Mean Square 均方根

　　ISI：Inter Symbol Interference 碼間干擾

　　1.隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）

　　隨機(jī)抖動(dòng)產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，很難消除。器件的內(nèi)部熱噪聲，晶體的隨機(jī)振動(dòng)，宇宙射線等都可能引起隨機(jī)抖動(dòng)。

　　隨機(jī)抖動(dòng)滿足高斯分布，在理論上是無邊界的，只要測(cè)試的時(shí)間足夠長，隨機(jī)抖動(dòng)也是無限大的。高斯分布概率密度函數(shù)圖形如下圖所示。

　　所以隨機(jī)抖動(dòng)的鋒-鋒值必須伴同誤碼率BER表示出來，RJRMS＝概率密度函數(shù)（pdf）的標(biāo)準(zhǔn)偏差：σ，隨機(jī)抖動(dòng)的鋒-鋒值RJpk-pk=N*σ，按不同的BER，N不同，如下圖所示：

　　2.確定性抖動(dòng)（DJ）

　　確定性抖動(dòng)不是高斯分布，通常是有邊際的，它是可重復(fù)可預(yù)測(cè)的。信號(hào)的反射、串?dāng)_、開關(guān)噪聲、電源干擾、EMI等都會(huì)產(chǎn)生DJ。DJ的概率密度函數(shù)圖形如下圖所示：

　　1）。周期性抖動(dòng)（PJ）

　　以周期方式重復(fù)的抖動(dòng)稱為周期性抖動(dòng)，由于可以將周期波形分解為與諧波相關(guān)的正弦曲線的傅立葉級(jí)數(shù)，因此，這類抖動(dòng)有時(shí)也稱為正弦抖動(dòng)。周期抖動(dòng)與數(shù)據(jù)流中任何定期重復(fù)的碼型無關(guān)，周期抖動(dòng)一般是由耦合到系統(tǒng)中的外部確定的噪聲源引起的。可能的抖動(dòng)源有：電源的EMI干擾與擴(kuò)頻時(shí)鐘SSC的調(diào)制信號(hào)。

　　2）。數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)（DDJ）

　　DDJ一般是由于電纜或設(shè)備的帶寬限制及阻抗不匹配造成的。DDJ分為DCD和ISI兩種。

　　DCD值是相對(duì)于額定值50%的占空比偏差，一般分兩種情況：

　　①信號(hào)的上升沿和下降沿的斜率不同；

　　②信號(hào)DC平均值發(fā)生變化而導(dǎo)致波形的判決門限高/低于應(yīng)有值；

　　ISI又稱為DDJ數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)或PDJ碼型相關(guān)抖動(dòng)。

　　因?yàn)樽杩共黄ヅ鋵?dǎo)致信號(hào)發(fā)射。被發(fā)射的信號(hào)疊加在原信號(hào)上導(dǎo)致信號(hào)幅度增加而最終使轉(zhuǎn)換電平所耗費(fèi)的時(shí)間更多，從而產(chǎn)生抖動(dòng)。對(duì)經(jīng)常切換的“1，0，1，0…”高頻信號(hào)，其衰減比連續(xù)的“1，1，1，1，0，0，0，0…”低頻信號(hào)大。所以長的連續(xù)不變碼會(huì)到達(dá)更高的電平，在跳變時(shí)需要更多的時(shí)間才能到達(dá)門限電平，導(dǎo)致信號(hào)抖動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)抖動(dòng)的幅度與碼型相關(guān)，所以又稱碼型相關(guān)抖動(dòng)。

　　總抖動(dòng)鋒-鋒值：TJpk-pk=（N*RJRMS）+DJpk-pk

　　信號(hào)抖動(dòng)值的測(cè)量主要分為時(shí)鐘、并行總線和高速串行數(shù)據(jù)三大類。時(shí)鐘抖動(dòng)的測(cè)量指標(biāo)有：Period Jitter （周期抖動(dòng)），Cycle to Cycle Jitter （周期間抖動(dòng)），N-Cycle Jitter （N個(gè)周期后抖動(dòng)），TIE （時(shí)間間隔誤差）四種；并行總線以及其它所有的源同步數(shù)據(jù)總線中的數(shù)據(jù)與時(shí)鐘相關(guān)抖動(dòng)的測(cè)量指標(biāo)有：Setup/Hold time jitter（建立/保持時(shí)間抖動(dòng)），Clk-out time jitter，Crossover Voltage Jitter（差分交點(diǎn)電壓抖動(dòng)）三種；高速串行數(shù)據(jù)的抖動(dòng)測(cè)量主要PLL TIE。

　　1）.Period Jitter

　　周期性抖動(dòng)測(cè)量主要是針對(duì)時(shí)鐘信號(hào)，它測(cè)量實(shí)時(shí)時(shí)鐘的每一個(gè)周期，然后對(duì)實(shí)際時(shí)鐘周期進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最后根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)，給出該時(shí)鐘周期大小的分布規(guī)律，此測(cè)量將顯示信號(hào)的整體質(zhì)量。測(cè)量Period Jitter必須指定一定的采樣周期數(shù)，不同的周期數(shù)，抖動(dòng)的PK-PK值是不同的，JEDEC要求的采樣數(shù)最少為10000個(gè)。測(cè)量統(tǒng)計(jì)過程如下圖所示：

　　2）.Cycle to Cycle Jitter

　　Cycle to Cycle Jitter 是測(cè)量任意兩個(gè)相鄰周期間信號(hào)的周期變化量，通周期性抖動(dòng)一樣，測(cè)量周期間抖動(dòng)也必須指定一定的周期數(shù)才能確定抖動(dòng)的鋒-鋒值，JEDEC中要求最少采樣1000個(gè)周期。測(cè)量統(tǒng)計(jì)過程如下圖所示：

　　3）。 N-Cycle Jitter

　　N個(gè)周期后抖動(dòng)是測(cè)量由參考點(diǎn)滯后相當(dāng)數(shù)量（N）個(gè)時(shí)鐘周期后沿的抖動(dòng)，該參數(shù)描述的是抖動(dòng)的積累效應(yīng)。測(cè)量該指標(biāo)時(shí)需要一個(gè)邊沿的統(tǒng)計(jì)常數(shù)為參考，否則測(cè)出來的抖動(dòng)可能會(huì)大于一個(gè)UI。測(cè)量統(tǒng)計(jì)過程如下圖所示：

　　4）.TIE

　　TIE是通過使用參考時(shí)鐘或時(shí)鐘恢復(fù)提供理想邊沿，據(jù)此來測(cè)量時(shí)鐘或者數(shù)據(jù)的每個(gè)有效邊沿與理想位置的差距。TIE在通信系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)樗@示了一段時(shí)間內(nèi)抖動(dòng)的趨勢(shì)。下圖Period Jitter、Cycle to Cycle Jitter及TIE之間的關(guān)系：

　　三種抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)類型的趨勢(shì)圖如下所示：

　　5）.Setup/Hold Time Jitter

　　Setup/Hold Time Jitter主要測(cè)量信號(hào)相對(duì)了時(shí)鐘采樣邊沿的建立/保持時(shí)間波動(dòng)情況，如下圖所示：

　　6）.Crossover Voltage Jitter

　　Crossover Voltage Jitter主要測(cè)量差分信號(hào)P端的上升沿與N端的交叉點(diǎn)波動(dòng)情況，如下圖所示：

　　7）.Clk-out Time Jitter

　　這個(gè)抖動(dòng)指標(biāo)跟Setup/Hold Time Jitter類似，只不過Setup/Hold Time Jitter是相對(duì)于接收端而言的，而Clk-out Time Jitter是相對(duì)與發(fā)送端而言的。

　　8）.PLL TIE

　　該參數(shù)用于高速串行數(shù)據(jù)的抖動(dòng)測(cè)試中，PLL TIE使用了Gloden PLL來進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，將串行數(shù)據(jù)速率除以1667作為PLL的環(huán)路帶寬。

　　在實(shí)際測(cè)量中，我們經(jīng)常會(huì)遇到RMS Jitter指標(biāo)，實(shí)際上，RMS就是Root Mean Square（均方根），它等于概率分布密度函數(shù)的（pdf）的標(biāo)準(zhǔn)方差σ。

　　對(duì)于同時(shí)抖動(dòng)的RMS值一般為pk-pk值的1/7。

　　抖動(dòng)的分類

　　胡為東 美國力科公司上海代表處

　　2009年6月

　　【摘要】

　　本文簡要介紹了信號(hào)抖動(dòng)在不同情況下的分類，如時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)分類，數(shù)據(jù)信號(hào)的抖動(dòng)分類以及這兩類抖動(dòng)之間的聯(lián)系，指出了實(shí)際抖動(dòng)測(cè)試過程中的注意事項(xiàng)，對(duì)抖動(dòng)分析測(cè)試有一定的參考意義。

　　【關(guān)鍵詞】

　　峰峰值抖動(dòng) 相位抖動(dòng) 周期抖動(dòng)固有抖動(dòng)隨機(jī)抖動(dòng)

　　一、峰峰值抖動(dòng)、均方根抖動(dòng)

　　過去多年來用于量化抖動(dòng)的最常用的方法是峰峰值抖動(dòng)（Peak-to-peak Jitter）和均方根抖動(dòng)（Root-Mean-Square Jitter，抖動(dòng)直方圖或者抖動(dòng)分布的1 或者RMS值）。但是由于隨機(jī)抖動(dòng)以及非固定抖動(dòng)的存在，使得抖動(dòng)的峰峰值隨著觀察樣本數(shù)量的增加而增加，因此說峰峰值抖動(dòng)參數(shù)用于衡量固有抖動(dòng)會(huì)很有效，但是衡量隨機(jī)性抖動(dòng)卻會(huì)出現(xiàn)很大誤差；相同的道理，由于固有抖動(dòng)及非高斯性抖動(dòng)和噪聲的存在，使得抖動(dòng)的直方圖或者分布圖不呈現(xiàn)完全的高斯分布，因此統(tǒng)計(jì)得到的抖動(dòng)的1σ或者RMS值不等于真實(shí)高斯分布的1 值。

　　峰峰值抖動(dòng)和均方根抖動(dòng)均是對(duì)某一類抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)。

　　二、相位抖動(dòng)、周期抖動(dòng)、相鄰周期間抖動(dòng)

　　由于時(shí)鐘系統(tǒng)是數(shù)字電路系統(tǒng)非常關(guān)鍵的一部分，直接決定了數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送和接收的成敗，是整個(gè)系統(tǒng)的主動(dòng)脈，因此時(shí)鐘的抖動(dòng)一直備受關(guān)注。描述時(shí)鐘系統(tǒng)的抖動(dòng)參量一般分為三類，即相位抖動(dòng)（Phase jitter）、周期抖動(dòng)（Period jitter）、相鄰周期間抖動(dòng)（Cycle to cycle jitter）。

　　1、相位抖動(dòng)

　　在數(shù)字系統(tǒng)中，兩個(gè)邏輯電平之間的切換通常伴隨著快沿的出現(xiàn)，這些邊沿在時(shí)序上的不穩(wěn)定性就叫做相位抖動(dòng)（phase jitter，有時(shí)也叫累積抖動(dòng)，accumulated jitter，指實(shí)際邊沿位置與理想邊沿位置的偏差，以時(shí)間為單位，也可以換算成弧度，角度等）；相位抖動(dòng)是相位噪聲在數(shù)字域的等效體現(xiàn)，它是離散量，因此只有當(dāng)邊沿存在時(shí)候才有定義。

　　理想邊沿位置一般定義在數(shù)字信號(hào)一個(gè)比特位時(shí)間間隔的整數(shù)倍位置處。如下圖1所示為某一

　　不會(huì)直接使用時(shí)鐘的邊沿來保證時(shí)序關(guān)系，而是看周期的穩(wěn)定性，也就是周期的抖動(dòng)，有時(shí)候時(shí)鐘周期越長，可能帶來保持時(shí)間余量不足的問題，這個(gè)時(shí)候就需要測(cè)量周期抖動(dòng)；而相鄰周期間抖動(dòng)常?？梢杂脕砗饬繒r(shí)鐘分頻器的穩(wěn)定性?？傊?，這三種抖動(dòng)都是衡量時(shí)鐘本身性能的指標(biāo)，在不同的應(yīng)用背景下需要關(guān)注不同的指標(biāo)，通常時(shí)鐘芯片的手冊(cè)會(huì)給出對(duì)時(shí)鐘的抖動(dòng)指標(biāo)要求。

　　三、串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中抖動(dòng)的分類

　　在上一篇文章中，我們提到了串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中接收端芯片的工作原理以及TIE（Time Interval Error）抖動(dòng)的概念，即數(shù)據(jù)與時(shí)鐘之間的相對(duì)抖動(dòng)，而不是單純指數(shù)據(jù)本身或者時(shí)鐘本身的抖動(dòng)。那么如果我們假定時(shí)鐘邊沿位置（對(duì)于高速數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)，或者叫異步系統(tǒng)來說，該時(shí)鐘一般是恢復(fù)時(shí)鐘）為數(shù)據(jù)的理想邊沿，那么數(shù)據(jù)的TIE抖動(dòng)事實(shí)上就是前文中分析時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)的相位抖動(dòng)，唯一不同的是時(shí)鐘信號(hào)的相位抖動(dòng)在每一個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)有一個(gè)數(shù)值；而數(shù)據(jù)信號(hào)常常有很多個(gè)連零電平或者連1電平，無邊沿存在，因此也就沒有對(duì)應(yīng)的相位抖動(dòng)數(shù)值。所以為了分清這兩類抖動(dòng)的概念，我們姑且在本文中暫定義時(shí)鐘信號(hào)的相位抖動(dòng)叫相位抖動(dòng)；數(shù)據(jù)信號(hào)的相位抖動(dòng)就叫做TIE抖動(dòng)（時(shí)間間隔誤差）；

　　TIE抖動(dòng)是分析串行數(shù)據(jù)抖動(dòng)的最基本單位，數(shù)據(jù)信號(hào)的每一個(gè)邊沿位置都會(huì)有一個(gè)TIE抖動(dòng)值。一段很長的串行數(shù)據(jù)一定會(huì)包含數(shù)個(gè)上升沿或者下降沿，如下圖所示：

　　如果將所有邊沿處的TIE抖動(dòng)做一個(gè)直方圖統(tǒng)計(jì)，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些TIE值是具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的，如下圖所示分別為呈現(xiàn)高斯分布的TIE抖動(dòng)以及呈現(xiàn)雙峰分布的TIE抖動(dòng)：

　　呈現(xiàn)高斯分布的抖動(dòng)通常是由于熱噪聲等引起的，稱為隨機(jī)抖動(dòng)（Random Jitter）；呈現(xiàn)雙峰且將高斯曲線分成兩部分的雙峰之間的抖動(dòng)值稱為固有抖動(dòng)（Deterministic Jitter）;通常來說抖動(dòng)成分主要是由隨機(jī)抖動(dòng)Rj和固有抖動(dòng)Dj構(gòu)成的，在之前的第二節(jié)我們有介紹到由于Rj的峰峰值是

　　****的，隨著累積樣本數(shù)的增加而增加，因此通常是用統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值（幾個(gè)sigma范圍內(nèi)的抖動(dòng)值）來衡量的；而Dj則是用峰峰值來衡量的。當(dāng)前大部分串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量誤碼率為10e-12時(shí)的總體抖動(dòng)（Tj）大小，而通常直方圖+/-7 sigma以內(nèi)的數(shù)據(jù)樣本數(shù)才能達(dá)到10e+12。Tj就是衡量Dj與Rj的整體影響的抖動(dòng)術(shù)語。誤碼率為10e-12時(shí)的總體抖動(dòng)Tj=14Rj+Dj （Rj是指1sigma時(shí)的抖動(dòng)或者叫RMS抖動(dòng)；Dj是固有抖動(dòng)的峰峰值）

　　如果我們不用統(tǒng)計(jì)的方式來分析TIE抖動(dòng)，而是在一個(gè)很長的時(shí)間軸上來看所有的TIE抖動(dòng)值的變化趨勢(shì)，即用如Lecroy示波器中的參數(shù)track的功能，我們也同樣能夠看出TIE抖動(dòng)值的變化趨勢(shì)：

　　當(dāng)TIE的樣本積累很多時(shí)，我們也能夠觀察到TIE參數(shù)變化的趨勢(shì)，如下圖所示，

　　上圖藍(lán)色波形即為TIE抖動(dòng)參數(shù)的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)了周期性的變化，如果對(duì)其做FFT變換，會(huì)發(fā)現(xiàn)有周期性的頻譜成分，這類抖動(dòng)就稱為周期性抖動(dòng)（Pj），如下圖所示

　　周期性抖動(dòng)Pj為固有抖動(dòng)Dj的一部分，除此以外，還有和數(shù)據(jù)碼型相關(guān)的抖動(dòng)DDj（數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)）；占空比失真引起的DCD抖動(dòng)；因數(shù)據(jù)碼型中0電平和1電平切換頻率不同導(dǎo)致的碼間干擾抖動(dòng)ISI（因?yàn)椴煌l率的信號(hào)經(jīng)過信道時(shí)衰減延遲是不一樣的）;由于高次諧波以及串?dāng)_引起的抖動(dòng)，一般稱為OBUJ（其它的固有不相干抖動(dòng)），這類抖動(dòng)屬于固有抖動(dòng)成分，但是數(shù)值很小，很容易和隨機(jī)抖動(dòng)Rj混到一起，不易區(qū)分，Lecroy的NQ-SCALE方法能夠較好的區(qū)分出這類抖動(dòng)。

　　綜上所述，串行數(shù)據(jù)的總體抖動(dòng)Tj的構(gòu)成如下樹狀圖：

　　四、時(shí)鐘抖動(dòng)與數(shù)據(jù)抖動(dòng)的聯(lián)系

　　主要有如下幾點(diǎn)：

　　1、數(shù)據(jù)抖動(dòng)是以TIE抖動(dòng)作為基本單位展開分析的，根據(jù)抖動(dòng)的構(gòu)成成分，將一定誤碼率情況下（特定的樣本數(shù)量）的總體抖動(dòng)Tj分解為Dj，Rj，DDj，Pj等；因?yàn)閿?shù)據(jù)信號(hào)不具備如時(shí)鐘信號(hào)一樣的周期重復(fù)性，因此數(shù)據(jù)信號(hào)沒有周期抖動(dòng)、相鄰周期間抖動(dòng)的指標(biāo)。

　　2、高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一般要求在特定誤碼率情況下（如10e-12）的總體抖動(dòng)Tj，固有抖動(dòng)Dj，隨機(jī)抖動(dòng)Rj等指標(biāo)不能過大；而時(shí)鐘信號(hào)一般是芯片手冊(cè)給出要求，因此分析時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)需要多大的數(shù)據(jù)量則需要引起注意，不一樣的樣本數(shù)據(jù)量，測(cè)得的抖動(dòng)結(jié)果也會(huì)偏差很大。如果時(shí)鐘手冊(cè)給出的指標(biāo)非?？量?，則有可能是在1sigma范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行測(cè)量分析的（數(shù)據(jù)量小，所以抖動(dòng)也會(huì)小很多），參照?qǐng)D4。

　　3、時(shí)鐘的相位抖動(dòng)、周期抖動(dòng)、相鄰周期間抖動(dòng)也同樣可以作為基本單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同樣也可以設(shè)定特定樣本數(shù)據(jù)時(shí)的Tj，Dj，Rj以及相關(guān)的分解（數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)ISI等不適用于時(shí)鐘抖動(dòng)，因?yàn)闀r(shí)鐘抖動(dòng)0電平和1電平的切換率是恒定的），以便分析抖動(dòng)的來源，但是如果用數(shù)據(jù)抖動(dòng)的分析軟件來分析時(shí)鐘抖動(dòng)的話一般只能分析相位抖動(dòng)，周期抖動(dòng)和相鄰周期間抖動(dòng)只能通過直方圖以及參數(shù)跟蹤的方法來分析。

　　4、時(shí)鐘芯片手冊(cè)或者其它芯片手冊(cè)中給出的時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)通常是某一類抖動(dòng)的峰峰值或者RMS值，也有要求總體抖動(dòng)Tj，Dj，Rj指標(biāo)的，給出這樣的指標(biāo)時(shí)我們一定得搞清楚這個(gè)指標(biāo)是對(duì)應(yīng)于多大的樣本數(shù)據(jù)量。

　　編輯：黃飛