信號抖動的種類與測量

1、信號抖動的種類與測量ITU-TG.701標(biāo)準(zhǔn)對抖動的定義為：抖動是指數(shù)字信號在短期內(nèi)重要的瞬時變化相對于理想位置發(fā)生的偏移”。還有一個跟抖動很類似的概念，即漂移。一般情況下，抖動是指發(fā)生得比較快的定時偏差，而漂移是指發(fā)生的比較慢得定日偏差。ITU把漂移和抖動之間的門限定義為10Hz,偏移頻率大于10Hz的叫抖動，小于10Hz的叫做漂移。（PJ、數(shù)據(jù)相關(guān)抖動（DDJ和抖動可以分為隨機(jī)性抖動（RJ和確定T抖動（DJ）,而確定性抖動又可以分為周期性抖動占空比抖動（DCD）三種，如下圖所示：典型的PDF有界,冏期性揖茄（FJ）DCD縮略語：TJTotalJitter總抖動DJDeterministic

2、Jitter確定性抖動RJRandomJitter隨機(jī)抖動PJPeriodicJitter周期性抖動DDJDataDependentJitter數(shù)據(jù)相關(guān)抖動DCDDutyCycleDistortion工作周期抖動TIETimeIntervalError時間區(qū)間誤差RMSRootMeanSquare均方根ISIInterSymbolInterference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

3、示。Rjisunbounded!QfHMS/sigma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：g隨機(jī)抖動的鋒-鋒值RJpk-pk=N*b按不同的BERN不同，如下圖所不：Raboof>edkdeviationBERtomudarddeviationBER=101X10T3為引IXW-J4.417tX10-44翩2/IX10'T5.327/BbH=115.731/Nh14ixio-*6.109/jIXWB6M7/IBB1Xn-N6,s«7/BlIXIO127.131,1XIO-Q74411XW117J3«

4、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EMI等都會產(chǎn)生DJ。DJ的概率密度函數(shù)圖形如卜圖所示：1百十的反射、串?dāng)_、開關(guān)噪聲、電源干擾、Deterministiccomponentsbound"!PeaktoPeak*>、1-sigmaorRMSRandomcomponents1)周期性抖動(PJ)因此,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)，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

5、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)DDL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:信號的上升沿和下降沿的斜率不同；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;不時稱的邊沿速率不適當(dāng)?shù)呐袥Q門限電平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

6、。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?？偠秳愉h-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：PeriodJitter（周期抖動），CycletoCycleJitter（周期間抖動）,N-CycleJitter（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/Holdtimejitter（建立/保持時間抖動）,Clk-o

7、uttimejitter,CrossoverVoltageJitter（差分交點電壓抖動）三種；高速串行數(shù)據(jù)的抖動測量主要PLLTIE1) .PeriodJitter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PeriodJitter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，JEDECS求的采樣數(shù)最少為10000個。測量統(tǒng)計過程如下圖所示：PK-PK12) .CycletoCycleJitterCycletoCycleJitter是測量任意

8、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，JEDECS要求最少采樣1000個周期。測量統(tǒng)計過程如下圖所示：口的/一口唯小一鞏3建春省腑町周期I1I1 I1I統(tǒng)計各個相鄰周期間的羞信局3) .N-CycleJitterN個周期后抖動是測量由參考點滯后相當(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).TIETIE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。T

9、IE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PeriodJitter、CycletoCycleJitter及TIE之間的關(guān)系：理想的G2=P2-Fl03-P3HP2周期性揖動與Cy亡場-Cyti用抖動與一監(jiān)門十三種抖動統(tǒng)計類型的趨勢圖如下所示:tf1*fHtI*1>tttitp|fl14Ib-TWJiJl"仃的仃以對上JUJ被澗制時仲二-1白I。nsec,-1040rwc颯n&K周期性工幼-'20nsecG*隹-Cyc痣抖動一物喝咻-4Qm£時阿間隔抖動5).Setup/HoldTimeJitterSetup/HoldTimeJit

10、ter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).CrossoverVoltageJitterN端的交叉點波動情況，如下圖所示:7） .Clk-outTimeJitter這個抖動指標(biāo)跟Setup/HoldTimeJitter類似，只不過Setup/HoldTimeJitter是相對于接收端而言的，而Clk-outTimeJitter是相對與發(fā)送端而言的。8） .PLLTIE該參數(shù)用于高速串行數(shù)據(jù)的抖動測試中，PLLTIE使用了GlodenPL晚進(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RMSJitter指標(biāo)，實際上，

11、RMS就是RootMeanSquare（均方根），它等于概率分布密度函數(shù)的（pdf）的標(biāo)準(zhǔn)方差（To1萬二上工芾對于同時抖動的RMS值一般為pk-pk值的1/7。轉(zhuǎn)自：信號抖動的種類與測量信號完整性分析基礎(chǔ)系列之五一一抖動的分類胡為東美國力科公司上海代表處2009年6月【摘要】本文簡要介紹了信號抖動在不同情況下的分類，如時鐘信號的抖動分類，數(shù)據(jù)信號的抖動分類以及這兩類抖動之間的聯(lián)系，指出了實際抖動測試過程中的注意事項，對抖動分析測試有一定的參考意義?！娟P(guān)鍵詞】峰峰值抖動相位抖動周期抖動固有抖動隨機(jī)抖動一、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-p

12、eakJitter）和均方根抖動（Root-Mean-SquareJitter,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)計彳#到的抖動的1b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)

13、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（Phasejitter）、周期抖動（Periodjitter)、相鄰周期間抖動(Cycletocyclejitter).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（phasejitter,有時也叫累積抖動，accumulatedjitter,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

14、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所示為某一時鐘的理想邊沿位置（三）和帶有抖動時實際邊沿位置t以及理想邊沿位置與實際邊沿位置的時間差，假設(shè)心為理想時鐘周期看-北一廣衛(wèi)內(nèi)-5二工）中A/相位抖動（時間去小），or,=2打（弧度表小）心2.周期抖動（periodjitter）周期抖動是指實際時鐘周期與理想時鐘周期的偏離,如上圖1所東，第始個時鐘周期為<r-如），因此周期抖動定義為%=（a）/.J由2-口】=*-二=溫，故/=口射）="乜）一憶3也就說，周期抖動體現(xiàn)了相位抖動的變化"3、相鄰周期間抖動（cvcle-to-odejittei）相鄰周

15、期間抖動是指連處兩個盾期的周期值的偏差.；=3*>-<而尸ih4i=，"A，唐T*）W=。-2*，*2=4匚說明相銘周期間抖動又體現(xiàn)了周期間抖動的變化口舉例如K；某100MHz時鐘，第一個到第四個周期分別為9.9”3.HHn"9.9i吟ISOm,假設(shè)其理想時鐘固定在1?？诮馮IEJitiert T1=10-95=0,1,T2=10-10J=-04,T3=10-93=0.1T4=10-10=0 TIEpk-pkjitter=0.1-(-0.1)=0.2ns TIERAISjitter=參數(shù)TL.T4的標(biāo)準(zhǔn)偏差*PeriodJitter* Pl=P.9P2=10.1

16、P3=9,9P4=1Q'PeiioclJitterpk-pkvalue-10,l-9.90.2* Peti(j(lJitterRMSvalue二參數(shù)P1.P4的標(biāo)準(zhǔn)偏差1 CycletoCyfIpjitter2 *C1=P2-P1=10.19.9=0,2C2=P3P2=9.9401=-0.2<3=P4-F3=10-9.9=0*CyclerocyclejitterPK-PKvalue=0.4CvcletorvckjitterRMSvalue=參數(shù)C1C4的標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差.的計算小式,叵商二產(chǎn)V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

17、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?？梢杂脕砗饬繒r鐘分頻器的穩(wěn)定性?？傊?，這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(TimeIntervalError)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

18、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：F1IIIIIIIIIII狀QI圖2TIE抖動示意圖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

19、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:*印lazGUfQEentParamater田4任方圖樣本分布圖如果我們不用統(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:Gaus©回nMultimodal(ezampl&:randcmjitter)(example:detKirinistjcjitter)圖正抖動的兩種統(tǒng)訐分機(jī)圖示例呈現(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（RandomJ

20、itter）；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（DeterministicJitter）;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+/-7sigma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

21、（Rj是指1sigma時的抖動或者叫RMS抖動；Dj是固有抖動的峰峰值）+A1sigmaSigma12.112-9100p0001,000,000000,0001皿Population100Numberof5r00C圖5T正抖前俏的時域變化趨勢當(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,圖6大早的TIE樣本信累松后的正弦周明性交化芭勢FFT變換，會發(fā)現(xiàn)有周期性的頻譜上圖藍(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，如果對其做成分，這類抖動就稱為周期性抖動（Pj）,如下圖所示LeCrovSDJbEOQQ二干IlL-HEltu腦M口口小皿Q5HTimet

22、aoe口.隼*用腳手M，圖不TIE抖動的翱諧圖周期性抖動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-SCALET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:1olalj"erBoundedJier

23、(DeiermifiiscJitter)UnBoundedJitter(RandomJirer)CorrelatedJitter-DDi;DependscnDa罡Pattern)SoundedLnCcrreateaInaeoenoentofDa循Pattern)DutyCycleDistortion-DCDIrter-SynbdInterference-SIPeriodicJitterOtherBUj圖84S椒據(jù)總體村動Tj的孫鼾憐表1科動測顯的參數(shù)及意義測量蓼數(shù)意義n在特定下的唐科動-Dj同在抖動,是總抖動的峰一峰非隨機(jī)部分.該參數(shù)是所都存的周期性抖動Pj和數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動口叫）之和=Dj的最常見熄因,包括反射'中青、開關(guān)喋聲以及電磁干擾pj周期性抖動1有時稱為“正弦抖動R，是由與數(shù)據(jù)信七八相關(guān)的原因引起的抖動m該Dj的件來自于相鄰的電路.例如電源噪聲.片上振蕩器,數(shù)據(jù)總線等.我們可以觀am抖動頻享量再糧據(jù)其料動料率成分找到抖動源,采取相關(guān)措施般少次縱DDj數(shù)據(jù)相關(guān)抖動是數(shù)據(jù)碼型本身相關(guān)的峰一峰值抖動.ISI：碼問干擾抖動，主要是指和數(shù)據(jù)跳變序列相關(guān)的系統(tǒng)影晌導(dǎo)物的抖動DCD占空比失真是在所捕獲的波形中測中所有脈沖得到的正向膿沖f低一高一低）和負(fù)同味沖高一低一高）之同的