时间抖动(jitter)的概念及其分析方法

玛丽莲梦兔
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2021年02月20日 06:38
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2021年2月20日发(作者:宁馨家园)


时间抖动


(jitter)


的概念及其分析方法



随着通信系统中的时钟速率迈入


GH z


级,


抖动这个在模拟设计中十分关键的因素,


也开始在数字设计领域


中日益得到人们的重视。在高速系统中,时钟或振荡器波 形的时序误差会限制一个数字


I/O


接口的最大速


率。不仅如此,它还会导致通信链路的误码率增大,甚至限制


A/D


转换器的动态范围。有资料表明在


3G


Hz


以上的系统中,时间抖动(


jitter


) 会导致码间干扰(


ISI


),造成传输误码率上升。

< p>


在此趋势下,高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。本文 向数字设计师们介绍了抖动的基


本概念,分析了它对系统性能的影响,并给出了能够将相 位抖动降至最低的常用电路技术。



本文介绍了时间抖动(


jitter


)的概念及其分析方法。在数字通信系统,特别是同步 系统中,随着系统时钟


频率的不断提高,时间抖动成为影响通信质量的关键因素。



关键字:


时间抖动、


jitter


、相位噪声、测量



时间抖动的概念



< br>在理想情况下,一个频率固定的完美的脉冲信号(以


1MHz

为例)的持续时间应该恰好是


1us


,每

< br>500n


s


有一个跳变沿。但不幸的是,这种信号并不存 在。如图


1


所示,信号周期的长度总会有一定变化,从而


导致下一个沿的到来时间不确定。这种不确定就是抖动。


< p>
抖动是对信号时域变化的测量结果,它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。在绝大多 数文


献和规范中,时间抖动(


jitter

)被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差,所不同的是某些


规范中将 这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走(


wander


),而 将变化较快的成分定义为时间抖动(


ji


tter


)。




1


时间抖动示意图



1


.时间抖动的分类




抖动有两种主要类型:确定性抖动和随机性抖动。




确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的,这种抖动通常幅度 有限,具备特定的(而非随机的)产生原因,


而且不能进行统计分析。

< br>



随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。例 如,能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素,就


可能造成载子流的随机变化。另外, 半导体加工工艺的变化,例如掺杂密度不均,也可能造成抖动。




2


.时间抖动的描述方法




可以通过许多基本测量指标确定抖动的特点,基本的抖动参数 包括:




1)


周期抖动(


period


jitter



测量实时波形中每个时钟和数据的周期的宽度。这是最早最直接的一种测量抖动的方式。这一指标说明了


时钟信号每个周期的变化。



2)


周期间抖动(


cycle- cycle


jitter





测量任意两个相邻时钟或数据的周期宽度的变动有多大,通过 对周期抖动应用一阶差分运算,可以得到周


期间抖动。这个指标在分析琐相环性质的时候 具有明显的意义。



3)


时间间隔误差(


timer


interval


error



TIE




测量时 钟或数据的每个活动边沿与其理想位置有多大偏差,


它使用参考时钟或时钟恢复提供理想 的边沿。


T


IE


在通信系统中特别重要 ,因为他说明了周期抖动在各个时期的累计效应。




3


.时间抖动的频域表示


——

< br>相位噪声



相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式 ,其时间抖动(


jitter


)在频率域中的显示。图


2


用一个振荡


器信号来解释相位噪声。



如果没有相位噪声,


那么振荡器的整个功率都 应集中在频率


f=fo


处。


但相位噪声 的出现将振荡器的一部分


功率扩展到相邻的频率中去,


产生了边 带


(sideband)



从图


2


中可以看出,


在离中心频率一定合理距离的


偏移频率处,边带功率滚降到


1/fm



fm


是该频率偏离中心频率的差值。



相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的


dBc/Hz


值,其中,


dBc


是以

dB


为单位的该频率处功率与


总功率的比值。


一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处


1Hz

< p>
带宽内的信号功率与信号


的总功率比值。




2


相位噪声示意图



时间抖动的模型



为了更好的对


jitter


进行描述,需要建立一套模型来分析不同情况下


jitter


的影响。根据产生


jitter< /p>


的原


因不同,对


jitter

< p>
模型一般如下:





8


Jitter


模型


< br>1


.随机抖动(


RJ



Random


Jitter





随机抖动是时间上的噪音,并没有任何已知的模式。尽管在随 机过程的理论中,随机抖动可能有各种概率


分布,但是


jitt er


模型中通常假定为高斯正态分布。原因有两个:第一,许多电路中,随机噪声的主要 来


源是热噪声,其具有高斯分布;第二,根据中心极限定律,许多独立不相关噪声源叠加 后趋近于一个高斯


分布。


由于随机抖动满足高斯分布,


因此它的峰值是无界的。


这是随机抖动区别于确定性抖动的重要特征。< /p>



2


.确定性抖动(

DJ



Deterministic


Jitter





相对于随机抖动,确定性抖动(


DJ


)是可以重复和预测的时间抖动,因此,


DJ

< br>的峰峰值是有界的,而这


个边界的位置随着测量次数的增加可以逼近真实值。


DJ


又可以分成几种,


每种有自己的特点和 背后对应的


物理机制。



< p>
1)


数据依赖型抖动(


DDJ


Data


Dependent


Jitter



数据依赖型抖动是和数据每一位内容相关的抖动。


通常产生


DDJ


的原因是数据流通过带宽明显受限的信道


时,出现码间干 扰(


ISI


)而引起的。


DDJ


通常具有两个分立脉冲形式的直方图,并且两个峰的高度相同


(根据峰 所处的位置又可以分成高概率


DDJ


和低概率

< br>DDJ


)。




2)


占空比失真抖动(


DCD



Duty


Cycle


Distortion





占空比失真抖动是当时钟信号占空比不是

50


%时,


由于过零点的位置不同所带来的测量抖动。


其产生的原


因有两种,其一,信号上升沿的摆率和下降沿的摆率不同 ,其二,由于判决阈值偏高或偏低。


DCD


通常具


有和


DDJ


类似的两个分立脉冲形式的直方图,并且 两个峰的高度相同。



3)


有界不相关 抖动(


BUJ



Bounded


Uncorrelated


Jitter



有界不相关抖动是一类在时间上不与


jitter


测量时刻 相关,分布上有具有有界峰峰值的时间抖动的统称。


其来源通常有


3


种:电源噪声。由于供电电源带来的噪声,可能会影响误码率;串扰和外部噪声。由 于传


输过程中可能由相邻传输线或外部电磁干扰引起的噪声;周期性噪声。由于各种周期 性噪声带来的信号周


期性抖动(


PJ



Period


Jitter


)。例如 :开关电源噪声或测试时使用的周期信号。只有单一频率成分的周


期性抖动(

< p>
PJ


)具有一个两端为峰值中间凹陷形式的直方图。




3



J itter


的分离




由于实际测试中,往往得到的复合时间抖动是由以上两种或几种


Jitter< /p>


模型的组合。利用概率论的知识可


以知道复合抖动概率密度函数是 组成该抖动的各个随机变量的概率密度函数的卷积。例如,一个


DCD

< br>抖


动和一个随机抖动的概率密度函数是将随机的高斯分布调制到

< br>DCD


的两个尖峰上。此外,对于周期性抖


动(


PJ


)不光有基波成分,往往还伴随着高次谐波。



时间抖动的分析手段




1


.统计特性和统计直方图



由于所有包含


jitter


的信号中都有随机成 分的存在,因此统计计算被广泛应用在


jitter


性能的评估 中。常


用的统计参数有平均值、标准差、最大值、最小值、峰峰值等。通常采用直方图的 形式来形象的描述


jitte


r


的这些 统计特性。



统计直方图的横坐标是


j itter


的大小,纵坐标是


jitter

在某一区间内出现的频率。当测量次数足够多时,


直方图是对


jitter


大小的概率密度函数的一个很好的估计,因此在通过

jitter


估计系统误码率时,统计直


方图发挥着及其重 要的作用。





3


随机抖动的统计直方图




4


周期抖动的统计直方图



需要注意的是 直方图中不包含每个


jitter


点发生的先后顺序,因此不能 用来显示


jitter


中存在的周期性信


息。



2



Jiiter



时间曲线和


Jitte r


的频率谱




由于统计直方图不能显示


Jitter


中存在的调制或周期性 成分信息,这时可以用


Jitter


-时间曲线来描述


Jit


ter


随时间变化的趋势。曲线的横坐标 为测量


Jitter


的时刻,纵坐标为


Jitter


的大小。这样从图中就可以

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