高清世界時(shí)鐘所面臨的挑戰(zhàn)(上)

　　引言

　　人類是自然界富于感覺的創(chuàng)造物，我們根據(jù)自己的所見、所聽、所聞、所感以及所品嘗到的去學(xué)習(xí)、理解和享受周圍的世界。因而，當(dāng)提到電子設(shè)備的創(chuàng)新時(shí)，能夠讓我們的感覺產(chǎn)生反應(yīng)的那一部分設(shè)計(jì)，大多依賴于高性能模擬信號(hào)路徑技術(shù)。在增強(qiáng)對(duì)于電子的感覺和反應(yīng)的模擬信號(hào)路徑中，最能引起興趣的一個(gè)例子是從模擬到數(shù)字以及從數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)是電子系統(tǒng)創(chuàng)新的主要領(lǐng)域。雖然不久前，架構(gòu)方式還僅僅限定于研究論文中或者夠經(jīng)濟(jì)因素而不可行，但是現(xiàn)在，糸統(tǒng)設(shè)計(jì)者已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)架構(gòu)方式。采用高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中最重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一是如何實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘產(chǎn)生模塊的輸入信號(hào)采樣。通常， “受限于時(shí)鐘”設(shè)計(jì)者需要依靠非常昂貴的時(shí)鐘生成器才能將系統(tǒng)提升到可接受的性能水平之上。

　　本文分為兩大部分：第一部分主要為那些需要實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)者提供了基本的工具，并特別強(qiáng)調(diào)時(shí)鐘特性對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能的重要性。首先，文章討論了一些時(shí)鐘性能的基本概念。其次，文章將“剖析”計(jì)時(shí)器件。最后，闡明設(shè)計(jì)專門面向應(yīng)用的計(jì)時(shí)器件性能的方法。第二部分將以第一部分的論述為基礎(chǔ)，探討設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)級(jí)上必須把握的關(guān)鍵折衷處理。

　　精密時(shí)鐘及通信

　　現(xiàn)在是消費(fèi)者趕上多媒體世界的大好時(shí)機(jī)。在一定程度上，我們要感謝高性能模擬技術(shù)的作用。多媒體內(nèi)容全部組合在一個(gè)數(shù)據(jù)包之內(nèi)，然后發(fā)送到由通信基礎(chǔ)設(shè)施所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流之中。這些數(shù)據(jù)流要求設(shè)備具有較大的帶寬以便能夠提供給高清電視、個(gè)人視頻播放器和移動(dòng)電話，而在數(shù)據(jù)聚集的情況下，這一點(diǎn)尤其重要。在宏觀的水平上，這種基礎(chǔ)設(shè)施(生成端/訪問網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)核以及骨干傳送)要求一個(gè)有精密時(shí)鐘的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這樣才能根據(jù)需求可靠的傳送數(shù)據(jù)包。在傳輸過程中，數(shù)據(jù)內(nèi)容通過高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬/數(shù)字分配。通過上述的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)被傳輸給消費(fèi)者，并通過另外一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為原始的高清信號(hào)。無論采用有線或無線傳輸媒體，精密時(shí)鐘在決定系統(tǒng)性能方面都起到了舉足輕重的作用。然而，精密時(shí)鐘的應(yīng)用并不局限于傳遞多媒體數(shù)據(jù)方面。事實(shí)上，在任何進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用中，都可以發(fā)現(xiàn)低噪聲、高精度時(shí)鐘的蹤影。

　　從時(shí)域的角度來看信號(hào)采樣

　　圖1(b)顯示出采用非對(duì)稱梯形脈沖形式的輸入波形(Vin)。如果使用一個(gè)無噪聲時(shí)鐘的完美數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來量化Vin，則圖1(a)顯示出其輸入波形的表現(xiàn)形式。同時(shí)，圖1(b)上的黑點(diǎn)即為所需的采樣點(diǎn)。圖1(a)上面的線顯示出這些點(diǎn)的位置變換情況。這些點(diǎn)形成了波形的無失真版本。圖1(b) 中也顯示出了陰影區(qū)域，它表示假設(shè)采樣時(shí)鐘具有噪聲(抖動(dòng))成分時(shí)，采樣時(shí)鐘脈沖邊沿產(chǎn)生的一系列可能時(shí)間范圍。不定的采樣區(qū)域以紅點(diǎn)表示。 這些點(diǎn)都位于可能的時(shí)鐘脈沖邊沿的范圍之內(nèi)，但并不位于陰影區(qū)域的中心。圖1(c)顯示出不定的采樣范圍。 在Y軸上記錄的每個(gè)值都是Vin 在(不定的)采樣點(diǎn)上的幅度。由於數(shù)據(jù)接受系統(tǒng)不了解時(shí)鐘噪聲或者對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)娜魏畏绞剑赬軸上每個(gè)對(duì)應(yīng)的值為適時(shí)的“完美”采樣點(diǎn)。

圖1 失真和時(shí)鐘抖動(dòng)

　　由于采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)所以采用不定采樣。圖1((c) 中的紅色軌跡顯示出了其結(jié)果，這是原始輸入波形的失真版本。對(duì)于這些圖示，我們可得出下面三個(gè)關(guān)鍵的觀點(diǎn)：