时间抖动(jitter)的概念及其分析方法
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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
p>
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。
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(
p>
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。
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
)。
图
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 p>
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
,
p>
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
p>
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
带宽内的信号功率与信号
的总功率比值。
图
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
模型一般如下:
图
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。
p>
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。
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。
p>
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(
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。
图
3
随机抖动的统计直方图
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