抖動(dòng)可以分為隨機性抖動(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)、數據相關(guān)抖動(dòng)(DDJ)和占空比抖動(dòng)(DCD)三種，如下圖所示：

     

縮略語(yǔ)：

         

● TJ：Total Jitter 總抖動(dòng)

● DJ：Deterministic Jitter 確定性抖動(dòng)

● RJ：Random Jitter 隨機抖動(dòng)

● PJ：Periodic Jitter 周期性抖動(dòng)

● DDJ：Data Dependent Jitter 數據相關(guān)抖動(dòng)

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

● TIE：Time Interval Error 時(shí)間區間誤差

● RMS：Root Mean Square 均方根

● ISI：Inter Symbol Interference 碼間干擾

 

1.隨機抖動(dòng)(RJ)

     

隨機抖動(dòng)產(chǎn)生的原因很復雜，很難消除。器件的內部熱噪聲，晶體的隨機振動(dòng)，宇宙射線(xiàn)等都可能引起隨機抖動(dòng)。

    

隨機抖動(dòng)滿(mǎn)足高斯分布，在理論上是無(wú)邊界的，只要測試的時(shí)間足夠長(cháng)，隨機抖動(dòng)也是無(wú)限大的。高斯分布概率密度函數圖形如下圖所示。

 

所以隨機抖動(dòng)的鋒-鋒值必須伴同誤碼率BER表示出來(lái)，RJRMS＝概率密度函數(pdf)的標準偏差:σ，隨機抖動(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，它是可重復可預測的。信號的反射、串擾、開(kāi)關(guān)噪聲、電源干擾、EMI等都會(huì )產(chǎn)生DJ。DJ的概率密度函數圖形如下圖所示:

 

 

1).周期性抖動(dòng)(PJ)

 

以周期方式重復的抖動(dòng)稱(chēng)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(xiàn)的傅立葉級數，因此，這類(lèi)抖動(dòng)有時(shí)也稱(chēng)為正弦抖動(dòng)。周期抖動(dòng)與數據流中任何定期重復的碼型無(wú)關(guān)，周期抖動(dòng)一般是由耦合到系統中的外部確定的噪聲源引起的?？赡艿亩秳?dòng)源有：電源的EMI干擾與擴頻時(shí)鐘SSC的調制信號。

 

2).數據相關(guān)抖動(dòng)(DDJ)

 

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

 

DCD值是相對于額定值50%的占空比偏差，一般分兩種情況：

 

①信號的上升沿和下降沿的斜率不同；

 

②信號DC平均值發(fā)生變化而導致波形的判決門(mén)限高/低于應有值；

 

ISI又稱(chēng)為DDJ數據相關(guān)抖動(dòng)或PDJ碼型相關(guān)抖動(dòng)。

 

因為阻抗不匹配導致信號發(fā)射。被發(fā)射的信號疊加在原信號上導致信號幅度增加而最終使轉換電平所耗費的時(shí)間更多，從而產(chǎn)生抖動(dòng)。對經(jīng)常切換的“1,0,1,0…”高頻信號，其衰減比連續的“1,1,1,1,0,0,0,0…”低頻信號大。所以長(cháng)的連續不變碼會(huì )到達更高的電平，在跳變時(shí)需要更多的時(shí)間才能到達門(mén)限電平，導致信號抖動(dòng)。因為這個(gè)抖動(dòng)的幅度與碼型相關(guān)，所以又稱(chēng)碼型相關(guān)抖動(dòng)。

 

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

 

信號抖動(dòng)值的測量主要分為時(shí)鐘、并行總線(xiàn)和高速串行數據三大類(lèi)。時(shí)鐘抖動(dòng)的測量指標有：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(xiàn)以及其它所有的源同步數據總線(xiàn)中的數據與時(shí)鐘相關(guān)抖動(dòng)的測量指標有：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；高速串行數據的抖動(dòng)測量主要PLL TIE。     

 

1).Period Jitter

    

周期性抖動(dòng)測量主要是針對時(shí)鐘信號，它測量實(shí)時(shí)時(shí)鐘的每一個(gè)周期，然后對實(shí)際時(shí)鐘周期進(jìn)行數據統計，最后根據概率統計，給出該時(shí)鐘周期大小的分布規律，此測量將顯示信號的整體質(zhì)量。測量Period Jitter必須指定一定的采樣周期數，不同的周期數，抖動(dòng)的PK-PK值是不同的，JEDEC要求的采樣數最少為10000個(gè)。測量統計過(guò)程如下圖所示：

 

2).Cycle to Cycle Jitter

 

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

 

3). N-Cycle Jitter

 

N個(gè)周期后抖動(dòng)是測量由參考點(diǎn)滯后相當數量(N)個(gè)時(shí)鐘周期后沿的抖動(dòng)，該參數描述的是抖動(dòng)的積累效應。測量該指標時(shí)需要一個(gè)邊沿的統計常數為參考，否則測出來(lái)的抖動(dòng)可能會(huì )大于一個(gè)UI。測量統計過(guò)程如下圖所示：

 

4).TIE

 

TIE是通過(guò)使用參考時(shí)鐘或時(shí)鐘恢復提供理想邊沿，據此來(lái)測量時(shí)鐘或者數據的每個(gè)有效邊沿與理想位置的差距。TIE在通信系統中尤為重要，因為它顯示了一段時(shí)間內抖動(dòng)的趨勢。下圖Period Jitter、Cycle to Cycle Jitter及TIE之間的關(guān)系：

 

三種抖動(dòng)統計類(lèi)型的趨勢圖如下所示：

 

5).Setup/Hold Time Jitter

 

Setup/Hold Time Jitter主要測量信號相對了時(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主要測量差分信號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)指標跟Setup/Hold Time Jitter類(lèi)似，只不過(guò)Setup/Hold Time Jitter是相對于接收端而言的，而Clk-out Time Jitter是相對與發(fā)送端而言的。

 

8).PLL TIE

 

該參數用于高速串行數據的抖動(dòng)測試中，PLL TIE使用了Gloden PLL來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘恢復，將串行數據速率除以1667作為PLL的環(huán)路帶寬。

 

在實(shí)際測量中，我們經(jīng)常會(huì )遇到RMS Jitter指標，實(shí)際上，RMS就是Root Mean Square(均方根)，它等于概率分布密度函數的(pdf)的標準方差σ。

 

對于同時(shí)抖動(dòng)的RMS值一般為pk-pk值的1/7。

 

抖動(dòng)的分類(lèi)

 

一、峰峰值抖動(dòng)、均方根抖動(dòng)

 

過(guò)去多年來(lái)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(zhù)觀(guān)察樣本數量的增加而增加，因此說(shuō)峰峰值抖動(dòng)參數用于衡量固有抖動(dòng)會(huì )很有效，但是衡量隨機性抖動(dòng)卻會(huì )出現很大誤差；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完全的高斯分布，因此統計得到的抖動(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)均是對某一類(lèi)抖動(dòng)的統計分析指標。

 

二、相位抖動(dòng)、周期抖動(dòng)、相鄰周期間抖動(dòng)

 

由于時(shí)鐘系統是數字電路系統非常關(guān)鍵的一部分，直接決定了數據信號發(fā)送和接收的成敗，是整個(gè)系統的主動(dòng)脈，因此時(shí)鐘的抖動(dòng)一直備受關(guān)注。描述時(shí)鐘系統的抖動(dòng)參量一般分為三類(lèi)，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)

 

在數字系統中，兩個(gè)邏輯電平之間的切換通常伴隨著(zhù)快沿的出現，這些邊沿在時(shí)序上的不穩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)是相位噪聲在數字域的等效體現，它是離散量，因此只有當邊沿存在時(shí)候才有定義。

 

理想邊沿位置一般定義在數字信號一個(gè)比特位時(shí)間間隔的整數倍位置處。如下圖1所示為某一

 

 

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

 

三、串行數據系統中抖動(dòng)的分類(lèi)

 

在上一篇文章中，我們提到了串行數據系統中接收端芯片的工作原理以及TIE（Time Interval Error）抖動(dòng)的概念,即數據與時(shí)鐘之間的相對抖動(dòng)，而不是單純指數據本身或者時(shí)鐘本身的抖動(dòng)。那么如果我們假定時(shí)鐘邊沿位置（對于高速數據鏈路系統，或者叫異步系統來(lái)說(shuō)，該時(shí)鐘一般是恢復時(shí)鐘）為數據的理想邊沿，那么數據的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)鐘信號的相位抖動(dòng)在每一個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì )有一個(gè)數值；而數據信號常常有很多個(gè)連零電平或者連1電平，無(wú)邊沿存在，因此也就沒(méi)有對應的相位抖動(dòng)數值。所以為了分清這兩類(lèi)抖動(dòng)的概念，我們姑且在本文中暫定義時(shí)鐘信號的相位抖動(dòng)叫相位抖動(dòng)；數據信號的相位抖動(dòng)就叫做TIE抖動(dòng)（時(shí)間間隔誤差）；

 

TIE抖動(dòng)是分析串行數據抖動(dòng)的最基本單位，數據信號的每一個(gè)邊沿位置都會(huì )有一個(gè)TIE抖動(dòng)值。一段很長(cháng)的串行數據一定會(huì )包含數個(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)直方圖統計，我們可能會(huì )發(fā)現這些TIE值是具有一定的統計規律的，如下圖所示分別為呈現高斯分布的TIE抖動(dòng)以及呈現雙峰分布的TIE抖動(dòng)：

 

 

呈現高斯分布的抖動(dòng)通常是由于熱噪聲等引起的，稱(chēng)為隨機抖動(dòng)（Random Jitter）；呈現雙峰且將高斯曲線(xiàn)分成兩部分的雙峰之間的抖動(dòng)值稱(chēng)為固有抖動(dòng)（Deterministic Jitter）;通常來(lái)說(shuō)抖動(dòng)成分主要是由隨機抖動(dòng)Rj和固有抖動(dòng)Dj構成的，在之前的第二節我們有介紹到由于Rj的峰峰值是****的，隨著(zhù)累積樣本數的增加而增加，因此通常是用統計標準偏差值（幾個(gè)sigma范圍內的抖動(dòng)值）來(lái)衡量的；而Dj則是用峰峰值來(lái)衡量的。當前大部分串行數據標準要求測量誤碼率為10e-12時(shí)的總體抖動(dòng)（Tj）大小，而通常直方圖+/-7 sigma以?xún)鹊臄祿颖緮挡拍苓_到10e+12。Tj就是衡量Dj與Rj的整體影響的抖動(dòng)術(shù)語(yǔ)。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)

 

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

 

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

 

上圖藍色波形即為T(mén)IE抖動(dòng)參數的變化趨勢，呈現了周期性的變化，如果對其做FFT變換，會(huì )發(fā)現有周期性的頻譜成分，這類(lèi)抖動(dòng)就稱(chēng)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，還有和數據碼型相關(guān)的抖動(dòng)DDj（數據相關(guān)性抖動(dòng)）；占空比失真引起的DCD抖動(dòng)；因數據碼型中0電平和1電平切換頻率不同導致的碼間干擾抖動(dòng)ISI(因為不同頻率的信號經(jīng)過(guò)信道時(shí)衰減延遲是不一樣的);由于高次諧波以及串擾引起的抖動(dòng)，一般稱(chēng)為OBUJ（其它的固有不相干抖動(dòng)），這類(lèi)抖動(dòng)屬于固有抖動(dòng)成分，但是數值很小，很容易和隨機抖動(dòng)Rj混到一起，不易區分，Lecroy的NQ-SCALE方法能夠較好的區分出這類(lèi)抖動(dòng)。

綜上所述，串行數據的總體抖動(dòng)Tj的構成如下樹(shù)狀圖：

 

四、時(shí)鐘抖動(dòng)與數據抖動(dòng)的聯(lián)系

 

主要有如下幾點(diǎn)：

 

1、數據抖動(dòng)是以TIE抖動(dòng)作為基本單位展開(kāi)分析的，根據抖動(dòng)的構成成分，將一定誤碼率情況下（特定的樣本數量）的總體抖動(dòng)Tj分解為Dj，Rj，DDj，Pj等；因為數據信號不具備如時(shí)鐘信號一樣的周期重復性，因此數據信號沒(méi)有周期抖動(dòng)、相鄰周期間抖動(dòng)的指標。

 

2、高速串行數據標準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，隨機抖動(dòng)Rj等指標不能過(guò)大；而時(shí)鐘信號一般是芯片手冊給出要求，因此分析時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)需要多大的數據量則需要引起注意，不一樣的樣本數據量，測得的抖動(dòng)結果也會(huì )偏差很大。如果時(shí)鐘手冊給出的指標非?？量?，則有可能是在1sigma范圍內的數據量進(jìn)行測量分析的（數據量小，所以抖動(dòng)也會(huì )小很多），參照圖4。

 

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)行統計分析，同樣也可以設定特定樣本數據時(shí)的Tj，Dj，Rj以及相關(guān)的分解（數據相關(guān)性抖動(dòng)ISI等不適用于時(shí)鐘抖動(dòng)，因為時(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(lái)源，但是如果用數據抖動(dòng)的分析軟件來(lái)分析時(shí)鐘抖動(dòng)的話(huà)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(guò)直方圖以及參數跟蹤的方法來(lái)分析。

 

4、時(shí)鐘芯片手冊或者其它芯片手冊中給出的時(shí)鐘抖動(dòng)指標通常是某一類(lèi)抖動(dòng)的峰峰值或者RMS值，也有要求總體抖動(dòng)Tj，Dj，Rj指標的，給出這樣的指標時(shí)我們一定得搞清楚這個(gè)指標是對應于多大的樣本數據量。

 

 

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