詳解數(shù)字電路中的抖動(dòng)

什么是抖動(dòng)？

隨著通信系統(tǒng)中的時(shí)鐘速率邁入GHz級(jí)，抖動(dòng)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。

在此趨勢(shì)下，高速數(shù)字設(shè)備的設(shè)計(jì)師們也開(kāi)始更多地關(guān)注時(shí)序因素。

抖動(dòng)反映的是兩個(gè)時(shí)鐘周期之間存在的差值，這個(gè)誤差是在時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的，和晶振或者PLL內(nèi)部電路有關(guān)。除此之外，還有一種由于周期內(nèi)信號(hào)的占空比發(fā)生變化而引起的抖動(dòng)，稱之為半周期抖動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，jitter可以認(rèn)為在時(shí)鐘信號(hào)本身在傳輸過(guò)程中的一些偶然和不定的變化之總和。

抖動(dòng)的幾個(gè)重要概念

1抖動(dòng)的基本概念

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。實(shí)際上，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(lái)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(lái)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

Wander反映的主要是時(shí)鐘源隨著時(shí)間、溫度等的緩慢變化，影響的是時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)的絕對(duì)精度。在通信或者信號(hào)傳輸中，由于收發(fā)雙方都會(huì)采用一定的時(shí)鐘架構(gòu)來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘的分配和同步，緩慢的時(shí)鐘漂移很容易被跟蹤上或補(bǔ)償?shù)?，因此wander對(duì)于數(shù)字電路傳輸?shù)恼`碼率影響不大，高速數(shù)字電路測(cè)量中關(guān)心的主要是高頻的jitter。

2抖動(dòng)的分類(lèi)

抖動(dòng)有兩種主要類(lèi)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)。

3抖動(dòng)的測(cè)試方法

由于信號(hào)邊沿的時(shí)間偏差可能是由于各種因素造成的，有隨機(jī)的噪聲，還有確定性的干擾。所以對(duì)這個(gè)時(shí)間偏差通常是隨機(jī)的，而是有一定的統(tǒng)計(jì)分布，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合這個(gè)測(cè)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(fù)雜的場(chǎng)合還會(huì)對(duì)這個(gè)時(shí)間偏差的各個(gè)成分進(jìn)行分解和估計(jì)。因此抖動(dòng)的精確測(cè)量需要大量的樣本以及復(fù)雜的算法。

抖動(dòng)的測(cè)量方法

可以通過(guò)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(shuō)明了時(shí)鐘信號(hào)每個(gè)周期的變化

如圖為帶抖動(dòng)的50MHz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行周期抖動(dòng)測(cè)量的結(jié)果，借助于相應(yīng)的抖動(dòng)分析軟件，觀察到信號(hào)周期隨時(shí)間的變化曲線，以及信號(hào)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。

1周期到周期抖動(dòng)（Cycle to Cycle jitter）

為了衡量時(shí)鐘信號(hào)相鄰周期的變化快慢，有時(shí)會(huì)用“周期到周期抖動(dòng)”進(jìn)行衡量，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(guò)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。

有些特殊的應(yīng)用（比如針對(duì)DDR2/3的時(shí)鐘信號(hào)）還定義了N-cycle jitter，即相鄰N個(gè)時(shí)鐘周期的抖動(dòng)變化。下圖是對(duì)同一個(gè)50MHz的時(shí)鐘波形進(jìn)行Cycle-Cycle抖動(dòng)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)的結(jié)果

1時(shí)間間隔誤差抖動(dòng)（Time Interval Error）

所謂時(shí)間間隔誤差，是指被測(cè)信號(hào)邊沿相對(duì)于其參考時(shí)鐘有效邊沿的抖動(dòng)。

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(shuō)明了周期抖動(dòng)在各個(gè)時(shí)期的累計(jì)效應(yīng)。

下圖是對(duì)同一個(gè)50MHz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行TIE抖動(dòng)的分析和統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

結(jié)論

從前面舉的例子可以看到，對(duì)于同一個(gè)信號(hào)，用不同的方式進(jìn)行測(cè)量和衡量，得到的結(jié)果可能是不一樣的。如圖所示，對(duì)于同一個(gè)帶抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行周期抖動(dòng)測(cè)量、周期到周期抖動(dòng)測(cè)量以及時(shí)間間隔誤差抖動(dòng)測(cè)量，得到的結(jié)果可能是不一樣的。

因此，對(duì)于一個(gè)信號(hào)進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量之前需要先明確關(guān)注的抖動(dòng)類(lèi)型，否則測(cè)量結(jié)果的物理含義是不明確的。

對(duì)于更復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，除了關(guān)心其抖動(dòng)的RMS值以及峰峰值以外，還會(huì)關(guān)心該抖動(dòng)的不同組成成分，因?yàn)椴煌煞值亩秳?dòng)對(duì)于電路的影響是不一樣的，相應(yīng)的應(yīng)對(duì)手段也不一樣。比如很多高速總線都會(huì)對(duì)高速數(shù)字信號(hào)的隨機(jī)抖動(dòng)成分（Random Jitter）、周期性抖動(dòng)（Periodic Jitter）、ISI抖動(dòng)（Inter-Symbol Interference jitter）等進(jìn)行進(jìn)一步的分解和研究。

抖動(dòng)是數(shù)字信號(hào)，特別是高速數(shù)字信號(hào)非常重要的一個(gè)概念，越是高速的信號(hào)，其比特周期越短，對(duì)于抖動(dòng)的要求就越嚴(yán)格。

審核編輯：湯梓紅