抖動成分及其產(chǎn)生原因分析
加入技術(shù)交流群
抖動是數(shù)字系統(tǒng)的信號完整性測試的核心內(nèi)容之一，是時鐘和串行信號的最重要測量參數(shù)（注：并行總線的最重要測量參數(shù)是建立時間和保持時間）。
一般這樣定義抖動：“信號的某特定時刻相對于其理想時間位置上的短期偏離為抖動”（參考：Bell Communications Research,Inc(Bellcore),"Synchrous Optical Network(SONET) Transport Systems:Common Generic Criteria, TR-253-CORE",Issue 2, Rev No.1, December 1997".如圖1所示。
其中快過10HZ的偏離定義為抖動（Jitter)，漫過10Hz的偏離定義為漂移（Wander)。
抖動和相位噪聲和頻率噪聲有什么關(guān)系呢？
隨著信號速率的不斷提高和對精度的越來越高要求，需要進行抖動成分的分離以更深入表征抖動特征和查找問題根源。一般按圖3進行抖動成分的分離。
Total Jitter(TJ)：總體抖動；
Random Jitter(RJ):隨機抖動；
Deterministic Jitter(DJ):確定性抖動；
Data Dependent Jitter(DDJ)：數(shù)據(jù)相關(guān)抖動；
Periodic Jitter(PJ):周期性抖動；
Inter-symbol Interference(ISI):碼間干擾
Duty Cycle Distortion(DCD)：占空比失真；
Sub Rate Jitter(SRJ):子速率抖動。
下面分別討論每種抖動成分的特征和產(chǎn)生原因。
1、隨機抖動RJ
隨機抖動是不能預(yù)測的定時噪聲，因為它沒有可以識別的模式。典型的隨機噪聲實例是在無線電接收機調(diào)諧到?jīng)]有活動的載頻時聽到的聲音。盡管在理論上隨機過程具有任意概率分布，但我們假設(shè)隨機抖動呈現(xiàn)高斯分布，以建立抖動模型。這種假設(shè)的原因之一是，在許多電路中，隨機噪聲的主要來源是熱噪聲(也稱為Johnson 噪聲或散粒噪聲)，而熱噪聲呈現(xiàn)高斯分布。另一個比較基礎(chǔ)的原因是，根據(jù)中心極限定理，不管各個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。高斯分布也稱為正態(tài)分布，但它的一個最重要的特點是：對高斯變量，它可以達到的峰值是無窮大。盡管這種隨機變量的大多數(shù)樣本將會聚集在中間值的周圍，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，高斯分布都沒有峰到峰邊界值，從這種分布中的樣本數(shù)越多，所測得的峰到峰值將越大。所以，我們用stdev或RMS(均方差)值來衡量隨機抖動RJ。
2、確定性抖動DJ
確定抖動是可以重復(fù)的、可以預(yù)測的定時抖動。正因如此，這個抖動的峰到峰值具有上下限，在數(shù)量相對較少的觀察基礎(chǔ)上，通?？梢砸愿咧眯哦扔^察或預(yù)測其邊界。DDJ和PJ根據(jù)抖動特點和根本成因進一步細分了這類抖動。確定性抖動和隨機抖動在統(tǒng)計圖上可以用圖4形象化表示。
3、周期性抖動PJ和子速率抖動SRJ
以周期方式重復(fù)的抖動稱為周期性抖動。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，這類抖動有時稱為正弦曲線抖動。一般來說，周期性抖動與數(shù)據(jù)流中任何定期重復(fù)的碼型無
關(guān)。周期性抖動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，如開關(guān)電源噪聲或強的局部RF載波。時鐘恢復(fù)PLL不穩(wěn)定也可能會導(dǎo)致周期性抖動。圖5是計算機中常用的SSC（擴頻時鐘）測試結(jié)果，SSC是典型的周期性抖動。子速率抖動SRJ是PJ的不同頻率成分，可以幫助判斷干擾源的頻率。
4、數(shù)據(jù)相關(guān)抖動DDJ
與數(shù)據(jù)流中的位序列相關(guān)的任何抖動都稱為數(shù)據(jù)相關(guān)抖動DDJ。DDJ通常是由連接器，電纜，PCB傳輸線，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。不足帶寬對數(shù)據(jù)序列強烈地執(zhí)行低通濾波，由于濾波，波形沒到達完全的高狀態(tài)或低狀態(tài)，除非有同極性的多個位連續(xù)出現(xiàn)(注：輪流的1,0,1,0,1,0 屬
于高頻，因為每單位區(qū)間內(nèi)，信號都發(fā)生電壓跳轉(zhuǎn)。連續(xù)的1或0，因為信號電壓一直維持固定，所以屬于低頻)。圖6顯示了這一個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)，跨過門限的時間較早。由于這種定時偏移是可以預(yù)測的，它與跳轉(zhuǎn)前的特定數(shù)據(jù)有關(guān)，因此它屬于DDJ，也稱為碼間干擾ISI。
5、占空比失真DCD
導(dǎo)致占空比失真DCD抖動的常見原因有兩個：
1. 上升沿的轉(zhuǎn)換速率與下降沿的轉(zhuǎn)換速率不同。一般判定門限位于50%幅度點，但波形的上升時間慢，導(dǎo)致上升沿跨過門限的時間比下降沿晚，結(jié)果，在眼圖上交叉點不是50％的位置，出現(xiàn)占空比失真抖動DCD。
2. 波形的判定門限高于或低于應(yīng)該值。信號的眼圖特征上，交叉點在50％，但是判定門限沒有設(shè)在50%幅度
點上也出現(xiàn)占空比失真抖動DCD，統(tǒng)計直方圖看上去與原因1非常類似。
6、使用浴盆曲線和雙狄拉克模型預(yù)估總體抖動TJ
高斯概率分布以及其峰到峰值在理論上沒有界限，把這兩項結(jié)合在一起考慮，會導(dǎo)致一個有趣的想法：對
包含某些高斯抖動的任何信號，如果累計樣本的時間足夠長，眼圖應(yīng)該會完全合上。那么我們測試眼圖和抖動測試多長時間、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(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)需要的時間太長，如何保證短時間捕獲卻能得出較準確的測量結(jié)果？這就要用到浴盆曲線和雙狄拉克模型，圖7的公式即是雙狄拉克模型。
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），可以容易分離出RJ和DJ，然后通過RJ和DJ卷積的雙狄拉克模型，可以推算出誤碼率和眼張開度的對應(yīng)曲線，從而可以推算出不同數(shù)據(jù)量或誤碼率對應(yīng)的抖動值，如圖8所示。浴盆曲線不是測試誤碼率的曲線，而是測試總體抖動的方法，這一點我們一定要正確理解。
一般這樣定義抖動：“信號的某特定時刻相對于其理想時間位置上的短期偏離為抖動”（參考：Bell Communications Research,Inc(Bellcore),"Synchrous Optical Network(SONET) Transport Systems:Common Generic Criteria, TR-253-CORE",Issue 2, Rev No.1, December 1997".如圖1所示。
其中快過10HZ的偏離定義為抖動（Jitter)，漫過10Hz的偏離定義為漂移（Wander)。
抖動和相位噪聲和頻率噪聲有什么關(guān)系呢？
隨著信號速率的不斷提高和對精度的越來越高要求，需要進行抖動成分的分離以更深入表征抖動特征和查找問題根源。一般按圖3進行抖動成分的分離。
Total Jitter(TJ)：總體抖動；
Random Jitter(RJ):隨機抖動；
Deterministic Jitter(DJ):確定性抖動；
Data Dependent Jitter(DDJ)：數(shù)據(jù)相關(guān)抖動；
Periodic Jitter(PJ):周期性抖動；
Inter-symbol Interference(ISI):碼間干擾
Duty Cycle Distortion(DCD)：占空比失真；
Sub Rate Jitter(SRJ):子速率抖動。
下面分別討論每種抖動成分的特征和產(chǎn)生原因。
1、隨機抖動RJ
隨機抖動是不能預(yù)測的定時噪聲，因為它沒有可以識別的模式。典型的隨機噪聲實例是在無線電接收機調(diào)諧到?jīng)]有活動的載頻時聽到的聲音。盡管在理論上隨機過程具有任意概率分布，但我們假設(shè)隨機抖動呈現(xiàn)高斯分布，以建立抖動模型。這種假設(shè)的原因之一是，在許多電路中，隨機噪聲的主要來源是熱噪聲(也稱為Johnson 噪聲或散粒噪聲)，而熱噪聲呈現(xiàn)高斯分布。另一個比較基礎(chǔ)的原因是，根據(jù)中心極限定理，不管各個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。高斯分布也稱為正態(tài)分布，但它的一個最重要的特點是：對高斯變量，它可以達到的峰值是無窮大。盡管這種隨機變量的大多數(shù)樣本將會聚集在中間值的周圍，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，高斯分布都沒有峰到峰邊界值，從這種分布中的樣本數(shù)越多，所測得的峰到峰值將越大。所以，我們用stdev或RMS(均方差)值來衡量隨機抖動RJ。
2、確定性抖動DJ
確定抖動是可以重復(fù)的、可以預(yù)測的定時抖動。正因如此，這個抖動的峰到峰值具有上下限，在數(shù)量相對較少的觀察基礎(chǔ)上，通?？梢砸愿咧眯哦扔^察或預(yù)測其邊界。DDJ和PJ根據(jù)抖動特點和根本成因進一步細分了這類抖動。確定性抖動和隨機抖動在統(tǒng)計圖上可以用圖4形象化表示。
3、周期性抖動PJ和子速率抖動SRJ
以周期方式重復(fù)的抖動稱為周期性抖動。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，這類抖動有時稱為正弦曲線抖動。一般來說，周期性抖動與數(shù)據(jù)流中任何定期重復(fù)的碼型無
關(guān)。周期性抖動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，如開關(guān)電源噪聲或強的局部RF載波。時鐘恢復(fù)PLL不穩(wěn)定也可能會導(dǎo)致周期性抖動。圖5是計算機中常用的SSC（擴頻時鐘）測試結(jié)果，SSC是典型的周期性抖動。子速率抖動SRJ是PJ的不同頻率成分，可以幫助判斷干擾源的頻率。
4、數(shù)據(jù)相關(guān)抖動DDJ
與數(shù)據(jù)流中的位序列相關(guān)的任何抖動都稱為數(shù)據(jù)相關(guān)抖動DDJ。DDJ通常是由連接器，電纜，PCB傳輸線，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。不足帶寬對數(shù)據(jù)序列強烈地執(zhí)行低通濾波，由于濾波，波形沒到達完全的高狀態(tài)或低狀態(tài)，除非有同極性的多個位連續(xù)出現(xiàn)(注：輪流的1,0,1,0,1,0 屬
于高頻，因為每單位區(qū)間內(nèi)，信號都發(fā)生電壓跳轉(zhuǎn)。連續(xù)的1或0，因為信號電壓一直維持固定，所以屬于低頻)。圖6顯示了這一個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)，跨過門限的時間較早。由于這種定時偏移是可以預(yù)測的，它與跳轉(zhuǎn)前的特定數(shù)據(jù)有關(guān)，因此它屬于DDJ，也稱為碼間干擾ISI。
5、占空比失真DCD
導(dǎo)致占空比失真DCD抖動的常見原因有兩個：
1. 上升沿的轉(zhuǎn)換速率與下降沿的轉(zhuǎn)換速率不同。一般判定門限位于50%幅度點，但波形的上升時間慢，導(dǎo)致上升沿跨過門限的時間比下降沿晚，結(jié)果，在眼圖上交叉點不是50％的位置，出現(xiàn)占空比失真抖動DCD。
2. 波形的判定門限高于或低于應(yīng)該值。信號的眼圖特征上，交叉點在50％，但是判定門限沒有設(shè)在50%幅度
點上也出現(xiàn)占空比失真抖動DCD，統(tǒng)計直方圖看上去與原因1非常類似。
6、使用浴盆曲線和雙狄拉克模型預(yù)估總體抖動TJ
高斯概率分布以及其峰到峰值在理論上沒有界限，把這兩項結(jié)合在一起考慮，會導(dǎo)致一個有趣的想法：對
包含某些高斯抖動的任何信號，如果累計樣本的時間足夠長，眼圖應(yīng)該會完全合上。那么我們測試眼圖和抖動測試多長時間、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(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)需要的時間太長，如何保證短時間捕獲卻能得出較準確的測量結(jié)果？這就要用到浴盆曲線和雙狄拉克模型，圖7的公式即是雙狄拉克模型。
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），可以容易分離出RJ和DJ，然后通過RJ和DJ卷積的雙狄拉克模型，可以推算出誤碼率和眼張開度的對應(yīng)曲線，從而可以推算出不同數(shù)據(jù)量或誤碼率對應(yīng)的抖動值，如圖8所示。浴盆曲線不是測試誤碼率的曲線，而是測試總體抖動的方法，這一點我們一定要正確理解。
評論