中心議題：

• 時(shí)鐘抖動(dòng)及測試方法的介紹和探討
• 時(shí)鐘抖動(dòng)的分解
• 時(shí)鐘抖動(dòng)測試注意事項

摘要
在高速互聯(lián)鏈路中，發(fā)送器的參考工作時(shí)鐘的抖動(dòng)是影響整個(gè)系統性能的關(guān)鍵因素之一。本文對時(shí)鐘抖動(dòng)的主要概念、測試方法及注意事項、測試難點(diǎn)進(jìn)行分析和探討。

高速互聯(lián)鏈路介紹
任何一個(gè)通信鏈路都包含三個(gè)部分：發(fā)送器（TX）、媒質(zhì)（信道）、接收器（RX）。對于高速的串行互聯(lián)鏈路也包含這三個(gè)部分，如下圖1所示為一個(gè)典型的高速互聯(lián)鏈路的結構圖。其中發(fā)送器包括了：并行轉換串行、編碼（比如8b10b編碼）、發(fā)送信號優(yōu)化（如預加重）、發(fā)送驅動(dòng)等功能。接收器包括了：時(shí)鐘恢復、數據恢復、接收信號優(yōu)化（如均衡）、串行轉化并行、解碼等功能。傳輸通道則由印刷電路板的走線(xiàn)、過(guò)孔、連接器、插卡的金手指、電纜、光纖等組成。

從整個(gè)鏈路的組成來(lái)看，發(fā)送器參考時(shí)鐘的抖動(dòng)在串并轉換時(shí)就引入到整個(gè)鏈路中，影響著(zhù)TX端發(fā)送出的數據的抖動(dòng)，而接收器要從這些數據中恢復出時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行后續的處理?？梢钥闯霭l(fā)送器參考時(shí)鐘的性能對整個(gè)鏈路的性能起到很關(guān)鍵的作用。本文從時(shí)鐘抖動(dòng)的相關(guān)概念、測試實(shí)例、測試注意事項、測試難點(diǎn)幾方面對時(shí)鐘抖動(dòng)測試進(jìn)行分析和探討。
三種時(shí)鐘抖動(dòng)的定義，峰峰值與有效值
時(shí)鐘抖動(dòng)通常分為時(shí)間間隔誤差（Time Interval Error，簡(jiǎn)稱(chēng)TIE），周期抖動(dòng)（Period Jitter）和相鄰周期抖動(dòng)（cycle to cycle jitter）三種抖動(dòng)。 TIE又稱(chēng)為phase jitter，是信號在電平轉換時(shí)，其邊沿與理想時(shí)間位置的偏移量。理想時(shí)間位置可以從待測試時(shí)鐘中恢復，或來(lái)自于其他參考時(shí)鐘。如圖2所示TIE抖動(dòng)的示意圖，I1、I2、I3、In-1、In是時(shí)鐘第一個(gè)到第n個(gè)上升沿與理想時(shí)間位置的偏差，將I1、I2到In進(jìn)行數理統計，在所有樣本的找出最大值和最小值，兩者相減可以得到TIE抖動(dòng)的峰峰值，即： 假設N為測量的樣本總數，抖動(dòng)的平均值可表示為： 抖動(dòng)的有效值（即RMS值）為所有樣本的1個(gè)Sigma值，即： 周期抖動(dòng)（Period Jitter）是多個(gè)周期內對時(shí)鐘周期的變化進(jìn)行統計與測量的結果。如圖3所示的P1、P2、Pn-1、Pn為多個(gè)周期內時(shí)鐘的周期數值，對這些數值進(jìn)行數理統計，同理，與TIE抖動(dòng)的峰峰值和有效值計算方法相同，把P1到Pn中的最大值減去最小值，得到周期抖動(dòng)的峰峰值，把P1到Pn進(jìn)行1個(gè)Sigma運算，得到周期抖動(dòng)的RMS值。

相鄰周期抖動(dòng)（Cycle to cycle jitter）是時(shí)鐘相鄰周期的周期差值進(jìn)行統計與測量的結果。如圖4所示，后一時(shí)鐘周期減去前一時(shí)鐘后作為統計的樣本，C1=P2-P1, C2=P3-P2, Cn-1 = Pn - Pn-1，把C1到Cn－1進(jìn)行數理統計，同理，可以計算出Cycle to cycle jitter的峰峰值和RMS值。 在上述三種常見(jiàn)的時(shí)鐘抖動(dòng)中，對于串行總線(xiàn)，通常是測量TIE抖動(dòng)，比如高速收發(fā)器TX端的參考時(shí)鐘。對于并行電路，通常是測量其時(shí)鐘的周期抖動(dòng)和相鄰周期抖動(dòng)，比如DDR SDRAM、PC主板上的FSB等等。

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在圖2、圖3、圖4中的紅色曲線(xiàn)橫軸是時(shí)間，縱軸是對應周期的抖動(dòng)數值，該曲線(xiàn)反映了抖動(dòng)隨時(shí)間變化的趨勢，稱(chēng)為抖動(dòng)跟蹤（Jitter track）；將每個(gè)周期的抖動(dòng)值（比如TIE抖動(dòng)的I1、I2…In）作統計直方圖，可以得到抖動(dòng)直方圖（Jitter Histogram）；將抖動(dòng)跟蹤做快速傅立葉變換（FFT）計算可以得到抖動(dòng)頻譜（Jitter Spectrum）。

抖動(dòng)跟蹤是抖動(dòng)在時(shí)域的表現形式，抖動(dòng)頻譜是抖動(dòng)在頻域的表現形式，抖動(dòng)直方圖是抖動(dòng)在統計域的表現形式。各種測試儀器和分析軟件對于抖動(dòng)的測量和分析都是在這三個(gè)域中實(shí)現的。

如下圖5為某100MHz時(shí)鐘在時(shí)域、頻域、統計域分析其TIE抖動(dòng)的示意圖。左上角的F2為某100MHz時(shí)鐘，P1是時(shí)鐘的TIE參數測量；右上角的F3是TIE抖動(dòng)的直方圖，直方圖不是高斯分布，可見(jiàn)時(shí)鐘存在固有抖動(dòng)。 左下角的F4為T(mén)IE track（即TIE抖動(dòng)隨時(shí)間變化的趨勢），從TIE Track中可以看到周期性的變化趨勢；右下角的F5是F4的FFT運算，即抖動(dòng)的頻譜，頻譜的峰值頻率為515kHz，說(shuō)明該時(shí)鐘的周期性抖動(dòng)（PJ）的主要來(lái)源為515kHz，找到頻點(diǎn)后，可以查找電路板上主頻或諧波為該頻率的芯片和PCB走線(xiàn)，進(jìn)一步調試與分析。

時(shí)鐘抖動(dòng)的分解
時(shí)鐘抖動(dòng)的峰峰值和RMS值僅反映了抖動(dòng)在統計上的數值，并沒(méi)有分析抖動(dòng)的來(lái)源。對于時(shí)鐘抖動(dòng)分解，業(yè)內通常把抖動(dòng)分解為：總體抖動(dòng) （TJ）、確定性抖動(dòng)（DJ）、隨機抖動(dòng)（RJ）、周期性抖動(dòng)（PJ）、占空比失真（DCD）等等。如下圖6所示為各種抖動(dòng)的關(guān)系圖。 TJ及其各種成分，都是針對TIE的。如前文所說(shuō)，TIE反映了被測時(shí)鐘與理想時(shí)鐘的偏差。TIE抖動(dòng)的峰峰值為隨著(zhù)測試樣本數的增加不斷增大（隨機抖動(dòng)因素引起的），TJ是和誤碼率聯(lián)系起來(lái)的，通常誤碼率為10E-12，即通常所說(shuō)的TJ是10的12次方個(gè)樣本的TIE抖動(dòng)的峰峰值。TJ包括了RJ和DJ，而DJ包括了PJ、DCD、BUJ（其它有界的數據不相關(guān)性抖動(dòng)）。對于單邊沿來(lái)同步與定時(shí)的時(shí)鐘，DCD不算做抖動(dòng)（當然，絕大多數時(shí)鐘都只用其上升沿）。

RJ會(huì )隨著(zhù)樣本數的增多不斷增大，其直方圖滿(mǎn)足高斯分布，通常用其統計后的1個(gè)Sigma或RMS值來(lái)表示，在抖動(dòng)測試儀器中得到的RJ通常為RMS值。隨機抖動(dòng)的來(lái)源為熱噪聲、Shot Noise和Flick Noise，與電子器件和半導體器件的電子和空穴特性有關(guān)，比如ECL工藝的PLL比TTL和CMOS工藝的PLL有更小的隨機抖動(dòng)。

DJ是有邊界的、確定性的抖動(dòng)，來(lái)源為：開(kāi)關(guān)電源噪聲、串擾、電磁干擾等等，與電路的設計有關(guān)，可以通過(guò)優(yōu)化設計來(lái)改善，比如選擇合適的電源濾波方案、合理的PCB布局和布線(xiàn)。

在抖動(dòng)頻譜中，RJ是頻譜的基底部分，而DJ是抖動(dòng)頻譜中的尖峰部分。很多測試儀器都是從抖動(dòng)頻譜來(lái)分解抖動(dòng)的。

時(shí)鐘抖動(dòng)測試注意事項
在時(shí)鐘抖動(dòng)測試中，有以下要點(diǎn)：

1， 選擇合適帶寬：為了準確測量到時(shí)鐘的邊沿，通常，示波器的帶寬在時(shí)鐘頻率的5倍以上，對于某些邊沿很快的時(shí)鐘，甚至需要儀器帶寬大于10倍時(shí)鐘主頻。

2， 選擇合適測試點(diǎn)：由于時(shí)鐘鏈路可能使用了各種端接策略或者星形拓撲結構，在發(fā)送端探測時(shí)鐘可能沒(méi)有太大的參考意義，通常是在時(shí)鐘鏈路的靠近接收端處探測和分析。

3， 保證地線(xiàn)盡量短：探頭的地線(xiàn)較長(cháng)時(shí)，引入的寄生電感可能導致測量到的波形失真，較長(cháng)的地線(xiàn)構成的信號環(huán)路也更容易受到電磁干擾。

4， 信號幅度盡量占滿(mǎn)整個(gè)屏幕：示波器的ADC只有8個(gè)比特的分辨率，必須讓信號幅度盡量占滿(mǎn)示波器的整個(gè)屏幕才可以保證足夠的測試精度。

5， 固定到合適的采樣率：使用合適的采樣率，保證在時(shí)鐘的邊沿采集到足夠的采樣點(diǎn)。

6， 抓取足夠的時(shí)鐘周期：對于有較低頻率的PJ的時(shí)鐘，需要捕獲足夠長(cháng)的時(shí)間才能找到該時(shí)鐘的抖動(dòng)來(lái)源。

時(shí)鐘抖動(dòng)評估中的難點(diǎn)
在目前通信設備的時(shí)鐘的測試分析中，存在的問(wèn)題為：芯片、設備、測試儀器廠(chǎng)商對時(shí)鐘抖動(dòng)指標的含義定義不一致。比如有的芯片廠(chǎng)商直接給出抖動(dòng)的pk-pk值，而沒(méi)有指明是那種抖動(dòng)要求。芯片廠(chǎng)商給出的名稱(chēng)與測試儀器廠(chǎng)商的名稱(chēng)一致，但實(shí)際描述的含義卻不一致。

有的芯片廠(chǎng)商對時(shí)鐘抖動(dòng)指標要求不嚴謹；有的芯片廠(chǎng)商給出的時(shí)鐘抖動(dòng)的指標要求比較隨意，指標的給出沒(méi)有相應的根據。這些原因在于近十年來(lái)電子產(chǎn)品的運行速度和時(shí)鐘頻率不斷增加，而抖動(dòng)的知識也在不斷完善與理論化，而某些芯片廠(chǎng)商的文檔對于抖動(dòng)的定義不規范，給時(shí)鐘性能的評估帶來(lái)一定的困難，這些需要各自的積累來(lái)進(jìn)行評估。

結語(yǔ)
高速鏈路是各電子設備以后重要的組成部分，其設計、性能分析和評估都是熱門(mén)的話(huà)題。本文僅對時(shí)鐘抖動(dòng)的基本概念和測試進(jìn)行相關(guān)的探討，而抖動(dòng)各成分的分離技術(shù)、時(shí)鐘抖動(dòng)在時(shí)域和頻域表現及他們的關(guān)系、抖動(dòng)的來(lái)源、抖動(dòng)的改善、抖動(dòng)在不同應用場(chǎng)景下對系統的影響都是電路設計與測試工程師需要深入研究的內容。

參考文獻
1， 《jitter slides》----力科
2， 《Jitter, Noise, and Signal Integrity at High-Speed》---Mike Peng Li