數(shù)字電路設(shè)計中的抖動測量方法

今天和大俠簡單聊一聊數(shù)字電路設(shè)計中的抖動，話不多說，上貨。

既然說到了抖動，那么什么是抖動？那首先我們就來了解一下什么是抖動。

01

抖動的幾個重要概念

1、抖動的基本概

在理想情況下，一個頻率固定的完美的脈沖信號（以1MHz為例）的持續(xù)時間應該恰好是1us，每500ns有一個跳變沿。但不幸的是，這種信號并不存在。實際上，信號周期的長度總會有一定變化，從而導致下一個沿的到來時間不確定。這種不確定就是抖動。

抖動是對信號時域變化的測量結(jié)果，它從本質(zhì)上描述了信號周期距離其理想值偏離了多少。在絕大多數(shù)文獻和規(guī)范中，時間抖動（jitter）被定義為高速串行信號邊沿到來時刻與理想時刻的偏差，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間游走（wander），而將變化較快的成分定義為時間抖動（jitter Wander反映的主要是時鐘源隨著時間、溫度等的緩慢變化，影響的是時鐘或定時信號的絕對精度。在通信或者信號傳輸中，由于收發(fā)雙方都會采用一定的時鐘架構(gòu)來進行時鐘的分配和同步，緩慢的時鐘漂移很容易被跟蹤上或補償?shù)?，因此wander對于數(shù)字電路傳輸?shù)恼`碼率影響不大，高速數(shù)字電路測量中關(guān)心的主要是高頻的jitter。

2. 抖動的分類

抖動有兩種主要類型：確定性抖動和隨機性抖動。

確定性抖動是由可識別的干擾信號造成的，這種抖動通常幅度有限，具備特定的（而非隨機的）產(chǎn)生原因，而且不能進行統(tǒng)計分析。隨機抖動是指由較難預測的因素導致的時序變化。例如，能夠影響半導體晶體材料遷移率的溫度因素，就可能造成載子流的隨機變化。另外，半導體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動。

3. 抖動的測試方法

由于信號邊沿的時間偏差可能是由于各種因素造成的，有隨機的噪聲，還有確定性的干擾。所以對這個時間偏差通常是隨機的，而是有一定的統(tǒng)計分布，在不同的應用場合這個測量的結(jié)果可能是用有效值（RMS）衡量，也可能使用峰峰值（peak-peak）衡量，更復雜的場合還會對這個時間偏差的各個成分進行分解和估計。因此抖動的精確測量需要大量的樣本以及復雜的算法。

02

二、抖動的測量方法

可以通過許多基本測量指標確定抖動的特點，基本的抖動參數(shù)包括：

1、周期抖動（Period jitter）

測量實時波形中每個時鐘和數(shù)據(jù)的周期的寬度。這是最早最直接的一種測量抖動的方式。這一指標說明了時鐘信號每個周期的變化。

如圖為帶抖動的50MHz的時鐘信號進行周期抖動測量的結(jié)果，借助于相應的抖動分析軟件，觀察到信號周期隨時間的變化曲線，以及信號周期的最大值、最小值、周期變化的峰峰值、周期變化的方差等。

對于更復雜的數(shù)字信號來說，除了關(guān)心其抖動的RMS值以及峰峰值以外，還會關(guān)心該抖動的不同組成成分，因為不同成分的抖動對于電路的影響是不一樣的，相應的應對手段也不一樣。比如很多高速總線都會對高速數(shù)字信號的隨機抖動成分（Random Jitter）、周期性抖動（Periodic Jitter）、ISI抖動（Inter-Symbol Interference jitter）等進行進一步的分解和研究。

抖動是數(shù)字信號，特別是高速數(shù)字信號非常重要的一個概念，越是高速的信號，其比特周期越短，對于抖動的要求就越嚴格。

編輯：黃飛