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

     

縮略語：

         

● TJ：Total Jitter 總抖動

● DJ：Deterministic Jitter 確定性抖動

● RJ：Random Jitter 隨機(jī)抖動

● PJ：Periodic Jitter 周期性抖動

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

● DCD：Duty Cycle Distortion 工作周期抖動

● TIE：Time Interval Error 時間區(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(RJ)

     

隨機(jī)抖動產(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，宇宙射線等都可能引起隨機(jī)抖動。

    

隨機(jī)抖動滿足高斯分布，在理論上是無邊界的，只要測試的時間足夠長，隨機(jī)抖動也是無限大的。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(DJ)

    

確定性抖動不是高斯分布，通常是有邊際的，它是可重復(fù)可預(yù)測的。信號的反射、串?dāng)_、開關(guān)噪聲、電源干擾、EMI等都會產(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(PJ)

 

以周期方式重復(fù)的抖動稱為周期性抖動，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數(shù)，因此，這類抖動有時也稱為正弦抖動。周期抖動與數(shù)據(jù)流中任何定期重復(fù)的碼型無關(guān)，周期抖動一般是由耦合到系統(tǒng)中的外部確定的噪聲源引起的。可能的抖動源有：電源的EMI干擾與擴(kuò)頻時鐘SSC的調(diào)制信號。

 

2).數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(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(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)抖動或PDJ碼型相關(guān)抖動。

 

因為阻抗不匹配導(dǎo)致信號發(fā)射。被發(fā)射的信號疊加在原信號上導(dǎo)致信號幅度增加而最終使轉(zhuǎn)換電平所耗費(fèi)的時間更多，從而產(chǎn)生抖動。對經(jīng)常切換的“1,0,1,0…”高頻信號，其衰減比連續(xù)的“1,1,1,1,0,0,0,0…”低頻信號大。所以長的連續(xù)不變碼會到達(dá)更高的電平，在跳變時需要更多的時間才能到達(dá)門限電平，導(dǎo)致信號抖動。因為這個抖動的幅度與碼型相關(guān)，所以又稱碼型相關(guān)抖動。

 

總抖動鋒-鋒值：TJpk-pk=(N*RJRMS)+DJpk-pk

 

信號抖動值的測量主要分為時鐘、并行總線和高速串行數(shù)據(jù)三大類。時鐘抖動的測量指標(biāo)有：Period Jitter (周期抖動)，Cycle to Cycle Jitter (周期間抖動)，N-Cycle Jitter (N個周期后抖動)，TIE (時間間隔誤差)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)與時鐘相關(guān)抖動的測量指標(biāo)有：Setup/Hold time jitter(建立/保持時間抖動)，Clk-out time jitter，Crossover Voltage Jitter(差分交點(diǎn)電壓抖動)三種；高速串行數(shù)據(jù)的抖動測量主要PLL TIE。     

 

1).Period Jitter

    

周期性抖動測量主要是針對時鐘信號，它測量實時時鐘的每一個周期，然后對實際時鐘周期進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，最后根據(jù)概率統(tǒng)計，給出該時鐘周期大小的分布規(guī)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(shù)，不同的周期數(shù)，抖動的PK-PK值是不同的，JEDEC要求的采樣數(shù)最少為10000個。測量統(tǒng)計過程如下圖所示：

 

2).Cycle to Cycle Jitter

 

Cycle to Cycle Jitter 是測量任意兩個相鄰周期間信號的周期變化量，通周期性抖動一樣，測量周期間抖動也必須指定一定的周期數(shù)才能確定抖動的鋒-鋒值，JEDEC中要求最少采樣1000個周期。測量統(tǒng)計過程如下圖所示：

 

3). N-Cycle Jitter

 

N個周期后抖動是測量由參考點(diǎn)滯后相當(dāng)數(shù)量(N)個時鐘周期后沿的抖動，該參數(shù)描述的是抖動的積累效應(yīng)。測量該指標(biāo)時需要一個邊沿的統(tǒng)計常數(shù)為參考，否則測出來的抖動可能會大于一個UI。測量統(tǒng)計過程如下圖所示：

 

4).TIE

 

TIE是通過使用參考時鐘或時鐘恢復(fù)提供理想邊沿，據(jù)此來測量時鐘或者數(shù)據(jù)的每個有效邊沿與理想位置的差距。TIE在通信系統(tǒng)中尤為重要，因為它顯示了一段時間內(nèi)抖動的趨勢。下圖Period Jitter、Cycle to Cycle Jitter及TIE之間的關(guān)系：

 

三種抖動統(tǒng)計類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鐘采樣邊沿的建立/保持時間波動情況，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)波動情況，如下圖所示：

 

7).Clk-out Time Jitter

 

這個抖動指標(biāo)跟Setup/Hold Time Jitter類似，只不過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(shù)用于高速串行數(shù)據(jù)的抖動測試中，PLL TIE使用了Gloden PLL來進(jìn)行時鐘恢復(fù)，將串行數(shù)據(jù)速率除以1667作為PLL的環(huán)路帶寬。

 

在實際測量中，我們經(jīng)常會遇到RMS Jitter指標(biāo)，實際上，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。

 

對于同時抖動的RMS值一般為pk-pk值的1/7。

 

抖動的分類

 

一、峰峰值抖動、均方根抖動

 

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

 

峰峰值抖動和均方根抖動均是對某一類抖動的統(tǒng)計分析指標(biāo)。

 

二、相位抖動、周期抖動、相鄰周期間抖動

 

由于時鐘系統(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)信號發(fā)送和接收的成敗，是整個系統(tǒng)的主動脈，因此時鐘的抖動一直備受關(guān)注。描述時鐘系統(tǒng)的抖動參量一般分為三類，即相位抖動（Phase jitter）、周期抖動(Period jitter)、相鄰周期間抖動(Cycle to cycle jitter).

 

1、相位抖動

 

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

 

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

 

 

不會直接使用時鐘的邊沿來保證時序關(guān)系，而是看周期的穩(wěn)定性，也就是周期的抖動，有時候時鐘周期越長，可能帶來保持時間余量不足的問題，這個時候就需要測量周期抖動；而相鄰周期間抖動常常可以用來衡量時鐘分頻器的穩(wěn)定性?？傊@三種抖動都是衡量時鐘本身性能的指標(biāo)，在不同的應(yīng)用背景下需要關(guān)注不同的指標(biāo)，通常時鐘芯片的手冊會給出對時鐘的抖動指標(biāo)要求。

 

三、串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中抖動的分類

 

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）抖動的概念,即數(shù)據(jù)與時鐘之間的相對抖動，而不是單純指數(shù)據(jù)本身或者時鐘本身的抖動。那么如果我們假定時鐘邊沿位置（對于高速數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)，或者叫異步系統(tǒng)來說，該時鐘一般是恢復(fù)時鐘）為數(shù)據(jù)的理想邊沿，那么數(shù)據(jù)的TIE抖動事實上就是前文中分析時鐘抖動時的相位抖動，唯一不同的是時鐘信號的相位抖動在每一個時鐘周期都會有一個數(shù)值；而數(shù)據(jù)信號常常有很多個連零電平或者連1電平，無邊沿存在，因此也就沒有對應(yīng)的相位抖動數(shù)值。所以為了分清這兩類抖動的概念，我們姑且在本文中暫定義時鐘信號的相位抖動叫相位抖動；數(shù)據(jù)信號的相位抖動就叫做TIE抖動（時間間隔誤差）；

 

TIE抖動是分析串行數(shù)據(jù)抖動的最基本單位，數(shù)據(jù)信號的每一個邊沿位置都會有一個TIE抖動值。一段很長的串行數(shù)據(jù)一定會包含數(shù)個上升沿或者下降沿，如下圖所示：

 

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

 

 

呈現(xiàn)高斯分布的抖動通常是由于熱噪聲等引起的，稱為隨機(jī)抖動（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值稱為固有抖動（Deterministic Jitter）;通常來說抖動成分主要是由隨機(jī)抖動Rj和固有抖動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)計標(biāo)準(zhǔn)偏差值（幾個sigma范圍內(nèi)的抖動值）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)要求測量誤碼率為10e-12時的總體抖動（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的整體影響的抖動術(shù)語。誤碼率為10e-12時的總體抖動Tj=14Rj+Dj (Rj是指1sigma時的抖動或者叫RMS抖動；Dj是固有抖動的峰峰值)

 

如果我們不用統(tǒng)計的方式來分析TIE抖動，而是在一個很長的時間軸上來看所有的TIE抖動值的變化趨勢，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抖動值的變化趨勢：

 

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

 

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

 

周期性抖動Pj為固有抖動Dj的一部分，除此以外，還有和數(shù)據(jù)碼型相關(guān)的抖動DDj（數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動）；占空比失真引起的DCD抖動；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ISI(因為不同頻率的信號經(jīng)過信道時衰減延遲是不一樣的);由于高次諧波以及串?dāng)_引起的抖動，一般稱為OBUJ（其它的固有不相干抖動），這類抖動屬于固有抖動成分，但是數(shù)值很小，很容易和隨機(jī)抖動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。

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

 

四、時鐘抖動與數(shù)據(jù)抖動的聯(lián)系

 

主要有如下幾點(diǎn)：

 

1、數(shù)據(jù)抖動是以TIE抖動作為基本單位展開分析的，根據(jù)抖動的構(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Tj分解為Dj，Rj，DDj，Pj等；因為數(shù)據(jù)信號不具備如時鐘信號一樣的周期重復(fù)性，因此數(shù)據(jù)信號沒有周期抖動、相鄰周期間抖動的指標(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Tj，固有抖動Dj，隨機(jī)抖動Rj等指標(biāo)不能過大；而時鐘信號一般是芯片手冊給出要求，因此分析時鐘抖動時需要多大的數(shù)據(jù)量則需要引起注意，不一樣的樣本數(shù)據(jù)量，測得的抖動結(jié)果也會偏差很大。如果時鐘手冊給出的指標(biāo)非?？量?，則有可能是在1sigma范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行測量分析的（數(shù)據(jù)量小，所以抖動也會小很多），參照圖4。

 

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

 

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

 

 

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