完美的時(shí)序：用抖動(dòng)與相位噪聲測量做時(shí)鐘分頻
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當(dāng)測量超低抖動(dòng)的器件與設(shè)備時(shí)，工程師們必須時(shí)刻問一個(gè)問題：測得的值是來自DUT(待測設(shè)備)，還是來自測試設(shè)備。工程師們也總在尋找一些能擴(kuò)展手頭設(shè)備能力的方法。本文描述了一些實(shí)用的方式，用于將較高頻率VCO(壓控振蕩器)的時(shí)鐘信號(hào)做分頻處理。
大多數(shù)用于測量抖動(dòng)的現(xiàn)代設(shè)備都可以劃分到兩大類中的一個(gè)：時(shí)域或頻域。時(shí)域設(shè)備通常是一種高速數(shù)字示波器的形式，有高的單次采樣帶寬。頻域設(shè)備一般的形式是頻譜分析儀、帶相位噪聲測量功能的頻譜分析儀，或相位噪聲分析儀。這兩大類中，每一類設(shè)備都有自己的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。不過，它們測量的都是相同現(xiàn)象，只是采用不同方法。
逐周期的峰值抖動(dòng)是在一個(gè)固定數(shù)量周期內(nèi)(一般是1000個(gè)或10000個(gè))，逐個(gè)相鄰周期之間的最大差值。當(dāng)需要限制頻率上的突變大小時(shí)，就需要使用它。例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)PLL(鎖相環(huán))時(shí)，可能希望限制頻率中的瞬時(shí)變化大小，以確保下游PLL保持鎖定(圖1)。
圖1，當(dāng)驅(qū)動(dòng)一只PLL(鎖相環(huán))時(shí)，可能希望限制頻率中瞬變的大小，以確保下游PLL保持鎖定。
峰峰周期抖動(dòng)是在某個(gè)觀測窗內(nèi)(同樣，一般是1000個(gè)或10000個(gè)周期)，所有時(shí)鐘周期中最大時(shí)鐘周期與最小時(shí)鐘周期之間的差值(圖2)。這是一個(gè)確保數(shù)字系統(tǒng)中觸發(fā)器建立與保持時(shí)間的有用規(guī)格?！胺宸濉钡囊馑际侵敢淮螠y量中，最小和最大采樣周期值之間的差值。
圖2，峰峰周期抖動(dòng)是一個(gè)觀察窗口內(nèi)(通常是1000個(gè)或10000個(gè)周期)，所有時(shí)鐘周期中，最大時(shí)鐘周期與最小時(shí)鐘周期之間的差值。
TIE(時(shí)間間隔誤差)抖動(dòng)(或叫累積抖動(dòng)，也叫相位抖動(dòng))是在所有時(shí)鐘周期上與理想時(shí)鐘周期的實(shí)際偏差(圖3)。它包括了在所有抖動(dòng)調(diào)制頻率上的抖動(dòng)，通常用于WAN(廣域網(wǎng)絡(luò))的時(shí)序應(yīng)用，如SONET(同步光網(wǎng)絡(luò))、同步以太網(wǎng)，以及OTN(光傳送網(wǎng)絡(luò))。
圖3，TIE抖動(dòng)是整個(gè)時(shí)鐘周期上與理想時(shí)鐘周期的實(shí)際差值。
可以建立各種類型的抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)，如rms(均方根)、峰峰、逐周期、周期，以及TIE抖動(dòng)，不過有些更常用。當(dāng)采用峰峰統(tǒng)計(jì)方法時(shí)，采樣數(shù)必須足夠大，才能提供可信的測量。這種測量通常要包含1000至10000個(gè)采樣。
時(shí)域設(shè)備可以直接測量峰峰、逐周期、周期以及TIE抖動(dòng)。這種測量方案能夠用于測量低頻時(shí)鐘或載波信號(hào)的抖動(dòng)。在數(shù)據(jù)后處理時(shí)采用FFT(快速傅里葉變換)、數(shù)字濾波器以及其它技術(shù)，就可以對一個(gè)頻率段上的相位噪聲值做積分，生成rms相位抖動(dòng)值。時(shí)域設(shè)備在測量數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)時(shí)優(yōu)于頻域系統(tǒng)，因此可用于具有SERDES(串行器/解串器)技術(shù)的高速串行鏈接。
頻域設(shè)備無法直接測量峰峰、逐周期或周期的抖動(dòng)；它原生的能力是測量一個(gè)給定頻段上某信號(hào)的rms功能。頻域設(shè)備還難以測量與數(shù)據(jù)相關(guān)的抖動(dòng)。然而，高質(zhì)量頻域儀器的本底噪聲低于時(shí)域設(shè)備，因此，對于沒有數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)的超低相位噪聲時(shí)鐘信號(hào)測量，頻域設(shè)備就是最好選擇(表1)。
由于本文的中心是低抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的測量問題，因此省略了對時(shí)域設(shè)備的進(jìn)一步討論，只是提示大家，在從一種抖動(dòng)測量轉(zhuǎn)到另一種測量時(shí)，可以采用各種數(shù)學(xué)估算與變換方法。例如，用一個(gè)波峰因數(shù)和所需要的BER(誤碼率)，就可以在峰峰與rms抖動(dòng)之間來回?fù)Q算。另一個(gè)例子是用一個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)的FFT，提供頻域信息與濾波。不過，多數(shù)這類技術(shù)都要依賴于數(shù)學(xué)模型，這些模型可能在多數(shù)情況下有很好的近似，但有局限。因此，只能特別小心地使用它們。
有一個(gè)值得進(jìn)一步研究的問題是時(shí)鐘(或載波)頻率對抖動(dòng)測量的影響。直覺上，由一個(gè)理想分頻器切分的時(shí)鐘信號(hào)在其輸入與輸出端都有相同的時(shí)鐘沿抖動(dòng)(圖4)。在圖4中，上方頻率為FO的抖動(dòng)信號(hào)通過一個(gè)完美分頻器除以2，產(chǎn)生一個(gè)FO/2的時(shí)鐘頻率。兩個(gè)信號(hào)有相同的抖動(dòng)JO。注意，較低時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)能量是較高時(shí)鐘信號(hào)的一半，因?yàn)樵诮o定的時(shí)間間隔內(nèi)，其邊沿減半。
圖4，直覺上，一個(gè)理想分頻器對一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)分頻后，分頻器前后有相同的時(shí)鐘沿抖動(dòng)。
評(píng)論