抖動(dòng)成分及其產(chǎn)生原因分析

OverlaidtransitionsJitteredclock:血（況以+OverlaidtransitionsJitteredclock:血（況以+w應(yīng)臨由『到抖動(dòng)成分及其產(chǎn)生原因分析抖動(dòng)是數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào)完整性測(cè)試的核心內(nèi)容之一，是時(shí)鐘和串行信號(hào)的最重要測(cè)量參數(shù)（注：并行總線(xiàn)的最重要測(cè)量參數(shù)是建立時(shí)間和保持時(shí)間）。一般這樣定義抖動(dòng):“信號(hào)的某特定時(shí)刻相對(duì)于其理想時(shí)間位置上的短期偏離為抖動(dòng)”（參考:BellCommunicationsResearch,Inc(Bellcore),"SynchrousOpticalNetwork(SONET)TransportSystems:CommonGenericCriteria,TR-253-CORE”,Issue2,RevNo.1,December1997”.如圖1所示。其中快過(guò)10HZ的偏離定義為抖動(dòng)（Jitter），漫過(guò)10Hz的偏離定義為漂移（Wander）。Singletransition圖1.時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的定義抖動(dòng)和相位噪聲和頻率噪聲有什么關(guān)系呢？假設(shè)*w（t）= +其中：源）二帶有相位調(diào)制的波形函數(shù)"產(chǎn)波形函數(shù)的頻暮網(wǎng)）三相位調(diào)剃函數(shù)Idealclock:sin(2.T^z)Jitter±扣1＞筍動(dòng)波形函數(shù)J(t)二白＞(0卜抖動(dòng)」=頗=拒位噪聲,相位颯野二2吼￡+例t),頻率做辛上?硒=小頊一2/rat 2zrat＞巍率嗪聲酊=購(gòu)-計(jì)說(shuō)石中⑴=*-妁,所以抖劫的變化與相位的變化成正比，而抖助的變-化率在頻譜上以頻率噪聲的方式顯現(xiàn)出來(lái)，圖2.抖動(dòng)和相位噪聲和頻率噪聲的關(guān)系隨著信號(hào)速率的不斷提高和對(duì)精度的越來(lái)越高要求，需要進(jìn)行抖動(dòng)成分的分離以更深入表征抖動(dòng)特征和查找問(wèn)題根源。一般按圖3進(jìn)行抖動(dòng)成分的分離。圖3.抖動(dòng)成分分離圖TotalJitter(TJ):總體抖動(dòng);RandomJitter(RJ):隨機(jī)抖動(dòng)；DeterministicJitter(DJ):確定性抖動(dòng)；DataDependentJitter(DDJ):數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng);PeriodicJitter(PJ):周期性抖動(dòng)；Inter-symbolInterference(ISI):碼間干擾DutyCycleDistortion(DCD):占空比失真；SubRateJitter(SRJ):子速率抖動(dòng)。下面分別討論每種抖動(dòng)成分的特征和產(chǎn)生原因。1、隨機(jī)抖動(dòng)RJ隨機(jī)抖動(dòng)是不能預(yù)測(cè)的定時(shí)噪聲，因?yàn)樗鼪](méi)有可以識(shí)別的模式。典型的隨機(jī)噪聲實(shí)例是在無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)調(diào)諧到?jīng)]有活動(dòng)的載頻時(shí)聽(tīng)到的聲音。盡管在理論上隨機(jī)過(guò)程具有任意概率分布，但我們假設(shè)隨機(jī)抖動(dòng)呈現(xiàn)高斯分布，以建立抖動(dòng)模型。這種假設(shè)的原因之一是，在許多電路中，隨機(jī)噪聲的主要來(lái)源是熱噪聲（也稱(chēng)為Johnson噪聲或散粒噪聲），而熱噪聲呈現(xiàn)高斯分布。另一個(gè)比較基礎(chǔ)的原因是，根據(jù)中心極限定理，不管各個(gè)噪聲源采用什么分布，許多不相關(guān)的噪聲源的合成效應(yīng)該接近高斯分布。高斯分布也稱(chēng)為正態(tài)分布，但它的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是：對(duì)高斯變量，它可以達(dá)到的峰值是無(wú)窮大。盡管這種隨機(jī)變量的大多數(shù)樣本將會(huì)聚集在中間值的周?chē)?，但在理論上，任何單一的樣本，它可以偏離中間值任意大的量。所以，高斯分布都沒(méi)有峰到峰邊界值，從這種分布中的樣本數(shù)越多，所測(cè)得的峰到峰值將越大。所以，我們用stdev或RMS（均方差）值來(lái)衡量隨機(jī)抖動(dòng)RJ。2、確定性抖動(dòng)DJ確定抖動(dòng)是可以重復(fù)的、可以預(yù)測(cè)的定時(shí)抖動(dòng)。正因如此，這個(gè)抖動(dòng)的峰到峰值具有上下限，在數(shù)量相對(duì)較少的觀(guān)察基礎(chǔ)上，通常可以以高置信度觀(guān)察或預(yù)測(cè)其邊界。DDJ和PJ根據(jù)抖動(dòng)特點(diǎn)和根本成因進(jìn)一步細(xì)分了這類(lèi)抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)在統(tǒng)計(jì)圖上可以用圖4形象化表示。圖4.RJ和DJ在統(tǒng)計(jì)圖上的形象化表示3、周期性抖動(dòng)PJ和子速率抖動(dòng)SRJ以周期方式重復(fù)的抖動(dòng)稱(chēng)為周期性抖動(dòng)。由于任何周期波形都可以分解成傅立葉順序的諧波相關(guān)的正弦曲線(xiàn)，這類(lèi)抖動(dòng)有時(shí)稱(chēng)為正弦曲線(xiàn)抖動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，周期性抖動(dòng)與數(shù)據(jù)流中任何定期重復(fù)的碼型無(wú)關(guān)。周期性抖動(dòng)一般是由耦合到系統(tǒng)中的外部確定性的噪聲源而引起的，如開(kāi)關(guān)電源噪聲或強(qiáng)的局部RF載波。時(shí)鐘恢復(fù)PLL不穩(wěn)定也可能會(huì)導(dǎo)致周期性抖動(dòng)。圖5是計(jì)算機(jī)中常用的SSC（擴(kuò)頻時(shí)鐘）測(cè)試結(jié)果，SSC是典型的周期性抖動(dòng)。子速率抖動(dòng)SRJ是PJ的不同頻率成分，可以幫助判斷干擾源的頻率。

圖5.SSC（擴(kuò)頻時(shí)鐘）是典型的周期性抖動(dòng)PJ4、數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)DDJ與數(shù)據(jù)流中的位序列相關(guān)的任何抖動(dòng)都稱(chēng)為數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)DDJ。DDJ通常是由連接器，電纜，PCB傳輸線(xiàn)，背板等的不足的頻響（阻抗不連續(xù)和損耗的綜合結(jié)果）引起的。不足帶寬對(duì)數(shù)據(jù)序列強(qiáng)烈地執(zhí)行低通濾波，由于濾波，波形沒(méi)到達(dá)完全的高狀態(tài)或低狀態(tài)，除非有同極性的多個(gè)位連續(xù)出現(xiàn)（注：輪流的1,0,1,0,1,0屬于高頻，因?yàn)槊繂挝粎^(qū)間內(nèi)，信號(hào)都發(fā)生電壓跳轉(zhuǎn)。連續(xù)的1或0，因?yàn)樾盘?hào)電壓一直維持固定，所以屬于低頻）。圖6顯示了這一個(gè)波形垂直偏置后與自己相疊加后的波形?？梢钥吹?，隨著1,0,1,0,1,0,1序列的下降跳轉(zhuǎn)，比隨著1,0,1,0,1,1,1序列的下降跳轉(zhuǎn)，跨過(guò)門(mén)限的時(shí)間較早。由于這種定時(shí)偏移是可以預(yù)測(cè)的，它與跳轉(zhuǎn)前的特定數(shù)據(jù)有關(guān)，因此它屬于DDJ，也稱(chēng)為碼間干擾ISI。圖6.碼間干擾ISI的成因圖示5、占空比失真DCD導(dǎo)致占空比失真DCD抖動(dòng)的常見(jiàn)原因有兩個(gè):上升沿的轉(zhuǎn)換速率與下降沿的轉(zhuǎn)換速率不同。一般判定門(mén)限位于50%幅度點(diǎn)，但波形的上升時(shí)間慢，導(dǎo)致上升沿跨過(guò)門(mén)限的時(shí)間比下降沿晚，結(jié)果，在眼圖上交叉點(diǎn)不是50%的位置，出現(xiàn)占空比失真抖動(dòng)DCD。波形的判定門(mén)限高于或低于應(yīng)該值。信號(hào)的眼圖特征上，交叉點(diǎn)在50%，但是判定門(mén)限沒(méi)有設(shè)在50%幅度點(diǎn)上也出現(xiàn)占空比失真抖動(dòng)DCD，統(tǒng)計(jì)直方圖看上去與原因1非常類(lèi)似。6、使用浴盆曲線(xiàn)和雙狄拉克模型預(yù)估總體抖動(dòng)TJ高斯概率分布以及其峰到峰值在理論上沒(méi)有界限，把這兩項(xiàng)結(jié)合在一起考慮，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)有趣的想法：對(duì)包含某些高斯抖動(dòng)的任何信號(hào)，如果累計(jì)樣本的時(shí)間足夠長(zhǎng)，眼圖應(yīng)該會(huì)完全合上。那么我們測(cè)試眼圖和抖動(dòng)測(cè)試多長(zhǎng)時(shí)間、多少樣本數(shù)比較合適？一般數(shù)字通訊的誤碼率BER要求為1e-12時(shí)（這是串行通信鏈路常用的誤碼率容限規(guī)范），而示波器要捕獲這么多數(shù)據(jù)需要的時(shí)間太長(zhǎng)，如何保證短時(shí)間捕獲卻能得出較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果？這就要用到浴盆曲線(xiàn)和雙狄拉克模型，圖7的公式即是雙狄拉克模型。若兩個(gè)變量是獨(dú)立的，兩個(gè)獨(dú)立變量之和的概率密度函數(shù)pdf是兩者的概率密度函數(shù)的卷積白f\?II=f\f\pdf:Tj=Dj?Rj(convolution)圖7.雙狄拉克模型和公式使用示波器捕獲足夠的數(shù)據(jù)（一般不用太多，比如200K樣點(diǎn)），可以容易分離出RJ和DJ