Jitter（抖動）

⊙介紹:
這篇文章的焦點是使用戶基本的理解什么是jitter以及jitter的發(fā)生是由什么引起的，引用的子標(biāo)題1到7是來自于MJS文檔的定義。
請參考Fibre Channel（光纖信道）MJS文檔（T11.2/Project 1230/Rev 10 位于ftp://ftp.t11.org/t11/member/fc/jitter_meth/99-151v2.pdf ）以獲得更詳細的信息。
⊙Jitter定義:
“Jitter是來自與一個事件的理想時間的偏差，參考事件是電子事件的微分零點交叉口（differential zero crossing）和光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)稱接收門限功率電平。Jitter是由確定性內(nèi)容和高斯（隨機）內(nèi)容組成的。”
下面部分解釋了每一個成分以及它們來自于哪里。

確定性Jitter（DJ）定義
“確定性Jitter是具有一個非高斯概率密度函數(shù)的Jitter，確定性jitter總是在幅度上跳躍的并在特定的原因下發(fā)生，四種確定性jitter被定義：占空比失真jitter、數(shù)據(jù)從屬jitter、正弦jitter和不相關(guān)（對數(shù)據(jù)）跳躍jitter，DJ的特性由它的跳躍和峰峰值決定。
DJ的形式有幾種，時鐘信號是典型的易受占空比失真（DCD）和周期Jitter（PJ）的影響的，數(shù)據(jù)信號也容易受DCD和PJ的影響，還易受符號間干擾（ISI）和數(shù)據(jù)從屬Jitter（DDJ）的影響。不管采樣尺寸如何改變，只要充足的數(shù)據(jù)點被采集以完成每個周期元素的至少一個完全的周期，那么DJ的總量將保持不變。

圖2：串?dāng)_例子

DJ來自于哪里?
DJ是典型的由串?dāng)_、EMI、同步開關(guān)輸出（SSO）、設(shè)備功能從屬和其它有規(guī)律發(fā)生的干擾信號引起的，當(dāng)一根受影響的線（一個電路板上的一根走線或一個電纜中的2根鄰近的線）被一根驅(qū)動線上產(chǎn)生的磁場影響時，串?dāng)_發(fā)生。（圖2）受影響的導(dǎo)體的感應(yīng)系數(shù)的增加將使感應(yīng)磁場轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的累加（正極或負極）將使被影響的線的電流逐漸增加或電壓逐漸減小，電壓的逐漸減小將在被影響的線上引起jitter。
圖3總出示了一個EMI輻射圖表，一根受影響的線被來自于一個EMI源（開關(guān)電源、AC電源線、RF信號源等等）的磁場所影響，這與串?dāng)_產(chǎn)生的jitter非常相似，在串?dāng)_情況下，一個磁場將感應(yīng)出一個感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流（正極或負極）將使被影響的線上的電流增加， 因此在被影響的線上產(chǎn)生jitter。

圖3：EMI例子

圖4出示了一個噪聲參考平面的例子，當(dāng)電源平面的噪聲引起下游邏輯門的門限電壓的參考改變時，DJ的這種形式發(fā)生。這個改變與輸入信號的回轉(zhuǎn)率成比例，當(dāng)Vt在門上被超過，輸出晶體管將導(dǎo)通。
當(dāng)?shù)貐⒖计矫嬖赩t 有一個改變時，這個電壓的改變將導(dǎo)致門的開關(guān)的超前或滯后，由此產(chǎn)生的時間誤差引起jitter。

圖4：噪聲參考平面圖表

同步開關(guān)輸出（SSO）是DJ的另一個來源，一個SSO圖表在圖5中顯示，如果幾個輸出管腳轉(zhuǎn)換到同一個狀態(tài)，將在Vcc和GND平面上感應(yīng)出一個電流尖峰。
這些尖峰電流可以引起門限電壓判斷點的改變，由于模式的敏感性和由于SSO造成的jitter邊緣幅度的跳躍，這被認為是DJ。

圖5：同步開關(guān)輸出（SSO）圖表

下面的四個DJ成分被指定到數(shù)據(jù)。
符號間干擾（ISI）定義
“數(shù)據(jù)從屬確定性jitter是由信號從比特序列（符號）的不同位置開始并到達接收器門限所必需的時間差異所引起的。例如，當(dāng)使用那些削弱由交替的0,1,0,1組成的比特序列的峰值幅度比由0,0,0,0,1,1,1,1組成的比特序列的峰值幅度多的媒體時，使用0,1,0,1達到接收器門限所必需的時間比來自于0,0,0,0,1,1,1,1所必需的時間少。4比特序列的運行長度產(chǎn)生一個更高的幅度，這將在比特值改變時花費更多的時間來克服，因此與1比特序列運行長度比較將產(chǎn)生一個時間差。當(dāng)不同運行長度的比特序列在同一個傳輸中混合應(yīng)用時，不同的比特序列（符號）將互相干擾。is expected 無論任何一種具有頻率成分的比特序列被傳輸媒體以不同的速度傳輸時，ISI將發(fā)生。

圖6：DDJ/ISI例子

數(shù)據(jù)從屬Jitter（DDJ）定義
當(dāng)傳輸模式從一個時鐘模式改變到一個非時鐘模式時，Jitter被產(chǎn)生，包括ISI。
圖6出示了一個DDJ/ISI影響一個光纖信道K285模式的例子，在一個1,0,1,0,1,1轉(zhuǎn)換后面跟著5個0。這5個連續(xù)的0與1,0,1,0,1,1部分期間立即跳回到1的兩個0相比較轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€較低的電壓。
占空比失真（DCD）定義
在一個時鐘（重復(fù)的0,1,0,1,….）比特序列中，一個“1”脈沖的平均脈沖寬度與一個“0”脈沖的平均脈沖寬度項比較的差異。DCD是DJ分布的一部分并在理想的接收器門限點被測量。
跳躍的不相關(guān)的Jitter定義
確定性jitter由被測信號上的不同的數(shù)據(jù)所引起。
周期Jitter（PJ）定義
PJ可以量化來自于EMI源的串?dāng)_的影響。（鄰近的線、電源噪聲等等）
RMS Jitter（RMSJ）或隨機Jitter（RJ）定義
該Jitter的特性表現(xiàn)為一個高斯分布，隨機jitter被定義為峰峰值，該值為一比特誤差率（BER）10- e12的高斯分布的標(biāo)準偏差的14倍。RMS jitter是jitter的均方根或標(biāo)準偏差，對于一個高斯分布，RMS值為BER 10-e12的峰峰值的1/14。
隨機（高斯）jitter在自然界中是隨機的，它典型的表現(xiàn)為一個高斯分布的特點，RJ將隨著時間繼續(xù)的增加，這就是為什么隨機jitter被提及為極大的原因。
RJ來自于哪里？
象所有的物理現(xiàn)象一樣，發(fā)生在電子信號中的邊緣偏差將包括隨機行為的一些水平， 這些成分在自然界中是概率統(tǒng)計的并且可以被一個高斯函數(shù)最好的建模，隨機jitter是極大的，因此直接的影響長期的可靠性。
隨機jitter來自于半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的熱震動，由于不規(guī)則涂料密度和加工的不規(guī)則性，導(dǎo)體原子的熱震動和許多小的貢獻者（宇宙輻射等等），材料邊界小于理想的原子價電子映射（valence electron mapping）。
因為RMS jitter的特性為一個高斯分布，下一部分將描述高斯模型以及它如何被應(yīng)用到j(luò)itter。
介紹高斯分布
要了解jitter的測量，了解高斯分布是非常重要的，因為它關(guān)系到概率問題。圖7出示了一個理想的高斯分布，描述一個高斯分布的三個基本元素為平均值、標(biāo)準偏差（1s）和峰峰值。平均值是所有采樣值的平均，峰峰值是最大的測量值減去最小的測量值的結(jié)果，1s是包括所有測量的68.26%到平均值的一邊的窗口，相似的，2s 是包括所有測量的95.4%到平均值的一邊的窗口，3s是測量的99.73%，4s是測量的99.99366%等等，直到10s是測量的（100-1.973x10-21）%。標(biāo)準偏差或1s用于預(yù)計來自于平均值的邊遠測量的發(fā)生，在電子學(xué)中，知道來自于理想的/指定的位置的邊緣偏差的頻率是非常重要的，例如，如果你的系統(tǒng)在一個1 GHz（1,000ps）的時鐘上不能容忍少于900ps的時鐘周期，你就想知道少于的一個周期的概率將是多少。短周期尾部的知識（Knowledge of the short period tail）可以精確的告訴你一個900ps周期出現(xiàn)的頻繁程度。

圖7：理想的高斯分布

關(guān)于這個模型，有幾個事情需要注意。首先也是最重要的，標(biāo)準偏差或1s作為RMS jitter的成分使用只有在純粹的高斯分布時才是正確的，如果在你的分布中存在任何確定性成分，基于評估發(fā)生概率的完全的jitter柱狀圖的1s使用是不正確的。
其次，在純高斯數(shù)學(xué)中，所有可能的測量被假設(shè)為可能的，然而對于所有實際的目的，只有當(dāng)測量的總量不超過1021時，高斯模型在電子學(xué)中才能保證結(jié)果的正確，這等效于20s（單邊）。在20s以后， 高斯模型開始終止測量的可預(yù)測性。20s的可靠性相當(dāng)于一個1 GHz時鐘正常操作至少32,150.2年。第三，峰峰值由樣本尺寸決定，相同分布的大的樣本將有可能產(chǎn)生一個大的峰峰值測量結(jié)果，因此，峰峰值必須根據(jù)樣本數(shù)字的前后關(guān)系和測量需要的全部時間來討論。如果一個1 GHz時鐘的100個測量結(jié)果以每隔25ms測試一個周期被產(chǎn)生，這些樣本的統(tǒng)計值比同樣的1GHz時鐘的100個連續(xù)周期的測量更好，100個25ms樣本測量完需要2.5ms，而100個連續(xù)的測量結(jié)果只需100ns，25ms樣本的大的總時間窗口給出一個更好的信號完整性統(tǒng)計察看。

計算標(biāo)準偏差
下面是標(biāo)準偏差的計算公式。

在大多數(shù)情況下，時間測量值不是完全的高斯分布的，典型的情況是一些DJ的發(fā)生導(dǎo)致一個非高斯的分布。
圖8出示了一個帶有DJ的并且不是完全的高斯分布的分布例子。但是，區(qū)域的尾部Ltail（紅色實線區(qū)域）和Rtail（藍色實線區(qū)域）在本質(zhì)上仍然表現(xiàn)為高斯分布，如果并且只能如果尾部區(qū)域的等效1s可以被計算，那么該分布仍可以被假設(shè)為高斯分布。

圖8：非高斯分布

TailFit運算法則
專利權(quán)未定的TailFitTM運算法則使用戶能夠通過一個帶有對稱尾部區(qū)域的高斯曲線表示一個被評估的非高斯分布，不同的高斯曲線與分布的尾部區(qū)域相比對直到一個最佳的匹配被發(fā)現(xiàn)為止。然后，匹配曲線的1s（1sL表示左邊的）被用作那個特殊尾部的標(biāo)準偏差乘積因子，這對分布的兩邊是重復(fù)的。注意，匹配的高斯分布對每個尾部不是必須相同的，圖9出示了一個右邊尾部（Rt-rmsJ）比左邊尾部（Lt -rmsJ）具有一個大的1s的例子。一旦左邊和右邊1s值被建立，總的DJ是適合分布的兩個高斯曲線的平均值的差異，根據(jù)這個DJ值以及右邊和左邊1s值，我們可以計算總的jitter時間。在圖9中，一個231.953ps的總的jitter在10-e12比特誤差率（BER）或在該時鐘的1012周期以后被計算。

圖9：TailFit?運算法則

Jitter調(diào)制
圖10出示了jitter調(diào)制在一個同步系統(tǒng)上的影響，在這個圖表中有三個信號，第一個信號是一個理想的沒有jitter的時鐘，第二個信號是一個正在被調(diào)制的時鐘，第三個信號是調(diào)制函數(shù)。當(dāng)調(diào)制信號為高時，它將增加被作用時鐘的周期的長度。
當(dāng)調(diào)制信號為低時，它將減小被作用時鐘的周期的長度。注意，如果你測量11個周期（調(diào)制周期），你將對理想的時鐘和jitter時鐘得到相同的測量結(jié)果。這是一個周期性Jitter（PJ）的例子。

圖10：Jitter調(diào)制結(jié)果

圖11出示了一個jitter組成的分類細目，它是這篇論文的要點。
概要：
Jitter由許多元素組成，因為隨機jitter是極大的，因此你必須量化你的jitter指標(biāo)，通過使用TailFitTM運算法則將全部的jitter分類細化為它的基本組成部分：確定性jitter和隨機性jitter，我們可以及時的計劃出并在一個想要的BER或時間得到一個全部的jitter數(shù)，從而對jitter進行量化。

圖11：jitter組成的分類細目圖表