
抖动是数字信号,尤其是高速数字信号的一个关键概念。如下图所示,抖动反映了数字信号与其理想位置的时间偏差。
抖动这个概念大家都知道,但其实仔细研究是很复杂的。
理解抖动的概念需要注意以下几个方面:抖动的频率范围:抖动实际上是时间上的噪声,其时间偏差的频率可能快也可能慢。一般变化频率大于10Hz的抖动分量称为抖动,变化频率小于10Hz的抖动分量称为漂移。漂移主要反映时钟源随时间和温度的缓慢变化,影响时钟或定时信号的绝对精度。在通信或信号传输中,由于发送端和接收端都会采用一定的时钟架构来分配和同步时钟,缓慢的时钟漂移很容易被跟踪或补偿,因此漂移对数字电路传输的误码率影响很小,高频抖动是高速数字电路测量中主要关心的问题。理想跳变位置:抖动是一个相对的时间量,如何确定信号的理想跳变位置对抖动的测量结果有关键影响。对于时钟信号的测量,我们通常关心的是时钟信号是否完全等间距,所以这个理想位置通常是从被测信号中提取的一个等周期分布时钟的跳变沿;对于数据信号的测量,我们关心的是这个信号相对于其时钟的位置跳变,所以这个理想跳变位置就是其时钟有效沿的跳变位置。对于很多内嵌时钟的高速数字电路来说,由于没有专门的时钟传输通道,情况更加复杂。此时,理想的跳变位置通常是指特定的时钟恢复电路(可以是硬件也可以是软件)从数据中恢复出的时钟的有效跳变沿。时间偏差的测量方法:信号边沿的时间偏差可能由多种因素引起,包括随机噪声和确定性干扰。所以这个时间偏差通常不是一个常数值,而是有一定的统计分布。在不同的应用中,该测量结果可以用均方根或峰峰值来测量。在更复杂的情况下,这个时间偏差的每个分量将被分解和估计。因此,抖动的精确测量需要大量的样本和复杂的算法。
抖动的测量方法在测量和测量抖动时,需要注意的是,即使用不同的方法测量同一信号,抖动测量结果也可能不同。下面是几种常用的抖动测量项目。周期抖动:对于时钟信号,我们最关心的是它的周期是否等间隔。理想的时钟应该具有相同的周期长度,但如果信号抖动,其周期可能会改变。因此,平均值、峰峰值、均方根值等。可以通过直接测量和计数时钟信号的多个周期来获得。下图是测量有抖动的50MHz时钟信号的周期抖动的结果。虽然人眼很难从原始的时域波形中观察到信号中细微的抖动,但是在相应的抖动分析软件的帮助下,我们可以观察到信号周期随时间变化的曲线,以及信号周期的最大最小值、周期变化的峰值、周期变化的方差等。
周期到周期抖动:上述周期抖动可以反映时钟信号周期的变化范围,但它可以不能反映时钟信号周期的变化速度。对于很多同步数字逻辑电路来说,如果时钟信号的周期变化很慢,即使周期变化范围很大,也不会引起故障,但如果周期变化很快,就可能引起电路故障。为了测量时钟信号相邻周期的变化速度周期间抖动有时会用到。"周期间抖动是时钟信号的两个相邻周期的减法。如果波形捕获1000个周期,则999个周期间抖动可以获得。平均值、峰峰值、均方根值等。也可以通过对这些测量结果进行计数来获得。一些特殊应用(如DDR2/3的时钟信号)也定义了N周期抖动,即相邻N个时钟周期的抖动变化。下图是同一50MHz时钟波形的逐周期抖动测量和统计结果。
时间间隔误差抖动:所谓时间间隔误差,是指被测信号的边沿相对于其参考时钟的有效边沿的抖动。参考时钟可以是特定的时钟信号或从该信号恢复的时钟。对于许多高速串行数字信号,由于不像时钟信号那样有固定的周期,无法测量周期性抖动,因此广泛采用TIE抖动测量方法。然而,应该注意的是,时间间隔误差是相对测量值。参考时钟的选择和时钟的恢复会影响抖动的测量结果。测量领带抖动时,请特别注意这一点。下图显示了同一50MHz时钟信号的抖动分析和统计结果,使用通过最小方差法从信号中提取的恒定时钟作为参考时钟。
从上面的例子可以看出,同样一个信号,用不同的方法去测量和测量,结果可能是不一样的。下图是另一个例子。对于同一个有抖动的时钟信号,周期抖动测量、周期抖动测量和时间间隔误差抖动测量的结果可能不同。因此,在测量信号的抖动之前,有必要明确相关的抖动类型,否则测量结果的物理意义就不清楚。
对于更复杂的数字信号,人们关心的不仅仅是抖动的均方根值和峰峰值,还包括抖动的不同分量,因为不同分量的抖动对电路的影响不同,相应的对策也不同。比如很多高速总线会进一步分解研究高速数字信号的随机抖动、周期抖动、ISI抖动。抖动是数字信号,尤其是高速数字信号的一个非常重要的概念。速度越高,比特周期越短,对抖动的要求越严格。抖动是一个非常复杂的问题。以后有时间再详细讲解抖动的概念和测量方法。









