信抖動的種類與測量

1、信號抖動的種類與測量ITU-TG.701標準對抖動的定義為：“抖動是指數(shù)字信號在短期內重要的瞬時變化相對于理想位置發(fā)生的偏移”。還有一個跟抖動很類似的概念，即漂移。一般情況下，抖動是指發(fā)生得比較快的定時偏差，而漂移是指發(fā)生的比較慢得定時偏差。ITU把漂移和抖動之間的門限定義為10Hz,偏移頻率大于10Hz的叫抖動，小于10Hz的叫做漂移。抖動可以分為隨機性抖動(RJ)和確定性抖動(DJ),而確定性抖動又可以分為周期性抖動(PJ)、數(shù)據(jù)相關抖動(DDJ)和有界抖渤(DDJ)占空比抖動(DCD)三種，如下圖所示:典型KJPOF確定性抖動陰k丿pJ*VR總體抖功(TJ)占空吐U(DCO)ff1M口匚

2、口縮略語:TJ:TotalJitter總抖動DJ:DeterministicJitter確定性抖動RJ:RandomJitter隨機抖動PJ:PeriodicJitter周期性抖動DDJ:DataDependentJitter數(shù)據(jù)相關抖動DCD:DutyCycleDistortion工作周期抖動TIE:TimeIntervalError時間區(qū)間誤差RMS:RootMeanSquare均方根ISI：InterSymbolInterference碼間干擾1隨機抖動(RJ)隨機抖動產(chǎn)生的原因很復雜，很難消除。器件的內部熱噪聲，晶體的隨機振動，宇宙射線等都可能引起隨機抖動。隨機抖動滿足高斯分布，在理論

3、上是無邊界的，只要測試的時間足夠長，隨機抖動也是無限大的。高斯分布概率密度函數(shù)圖形如下圖所示。Rjisunbounded!7-sigma1-igmprRM§所以隨機抖動的鋒-鋒值必須伴同誤碼率BER表示出來，RJRMS=概率密度函數(shù)(pdf)的標準偏差:。，隨機抖動的鋒-鋒值RJpk-pk=N*o，按不同的BER，N不同，如下圖所示：113174417.739BER=1Q-1ZN=141X101X10-t1XW31XI)-eIXlfl-101X10-"RatioofpeakdeviationtosUadarddeviatian4.4174.392S.137/BER二10野N

4、=125.731.1096.0072確定性抖動(DJ)確定性抖動不是高斯分布，通常是有邊際的，它是可重復可預測的。信號的反射、串擾、開關噪聲、電源干擾、EMI等都會產(chǎn)生DJ。DJ的概率密度函數(shù)圖形如下圖所示：DeterministiccomponentsPeakIta-P-edkDjisbounded!*二1-sigma.議RMSR活時T0-fll(?0向pOn號"七$1) .周期性抖動(PJ)以周期方式重復的抖動稱為周期性抖動，由于可以將周期波形分解為與諧波相關的正弦曲線的傅立葉級數(shù)，因此，這類抖動有時也稱為正弦抖動。周期抖動與數(shù)據(jù)流中任何定期重復的碼型無關，周期抖動一般是由耦合到

5、系統(tǒng)中的外部確定的噪聲源引起的?？赡艿亩秳釉从校弘娫吹腅MI干擾與擴頻時鐘SSC的調制信號。2) .數(shù)據(jù)相關抖動(DDJ)DDJ一般是由于電纜或設備的帶寬限制及阻抗不匹配造成的。DDJ分為DCD和ISI兩種。DCD值是相對于額定值50%的占空比偏差，一般分兩種情況：信號的上升沿和下降沿的斜率不同；信號DC平均值發(fā)生變化而導致波形的判決門限高/低于應有值；ISI又稱為DDJ數(shù)據(jù)相關抖動或PDJ碼型相關抖動。因為阻抗不匹配導致信號發(fā)射。被發(fā)射的信號疊加在原信號上導致信號幅度增加而最終使轉換電平所耗費的時間更多，從而產(chǎn)生抖動。對經(jīng)常切換的"1Q1,0.”高頻信號，其衰減比連續(xù)的"

6、1,1,1,1Q0Q0.”低頻信號大。所以長的連續(xù)不變碼會到達更高的電平，在跳變時需要更多的時間才能到達門限電平，導致信號抖動。因為這個抖動的幅度總抖動鋒-鋒值：TJpk-pk=(N*RJRMS)+DJpk-pk信號抖動值的測量主要分為時鐘、并行總線和高速串行數(shù)據(jù)三大類。時鐘抖動的測量指標有：PeriodJitter（周期抖動），CycletoCycleJitter（周期間抖動）,N-CycleJitter（N個周期后抖動），TIE（時間間隔誤差）四種；并行總線以及其它所有的源同步數(shù)據(jù)總線中的數(shù)據(jù)與時鐘相關抖動的測量指標有：Setup/Holdtimejitter健立/保持時間抖動），Clk-

7、outtimejitter，CrossoverVoltageJitter（差分交點電壓抖動）三種；高速串行數(shù)據(jù)的抖動測量主要PLLTIE。1）.PeriodJitter周期性抖動測量主要是針對時鐘信號，它測量實時時鐘的每一個周期，然后對實際時鐘周期進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，最后根據(jù)概率統(tǒng)計，給出該時鐘周期大小的分布規(guī)律，此測量將顯示信號的整體質量。測量PeriodJitter必須指定一定的采樣周期數(shù)，不同的周期數(shù)，抖動的PK-PK值是不同的，JEDEC要求的采樣數(shù)最少為10000個。測量統(tǒng)計過程如下圖所示：9-9阻省略M個周期9.£3.49.69.S10.210.410.610.BPK-PK2)

8、 .CycletoCycleJitterCycletoCycleJitter是測量任意兩個相鄰周期間信號的周期變化量，通周期性抖動一樣，測量周期間抖動也必須指定一定的周期數(shù)才能確定抖動的鋒-鋒值，JEDEC中要求最少采樣1000個周期。測量統(tǒng)計過程如下圖所示：&一10ng»<10-池一S-嘰邑E省略N個周期'':統(tǒng)計各于相鉢周期間的差值1.00.60.J0.1+0-14.3H6+1.03) .N-CycleJitterN個周期后抖動是測量由參考點滯后相當數(shù)量(N)個時鐘周期后沿的抖動，該參數(shù)描述的是抖動的積累效應。測4) .TIETIE是通過使用參考時鐘

9、或時鐘恢復提供理想邊沿，據(jù)此來測量時鐘或者數(shù)據(jù)的每個有效邊沿與理想位置的差距。TIE在通信系統(tǒng)中尤為重要，因為它顯示了一段時間內抖動的趨勢。下圖PeriodJitter、CycletoCycleJitter及TIE之間的關系：pC2=P2-FlG3二P3-'P2理馥的邊沿位趕周期性影動與劌亡也恥抖動與Dm脫三種抖動統(tǒng)計類型的趨勢圖如下所示：5).Setup/HoldTimeJitterSetup/HoldTimeJitter主要測量信號相對了時鐘采樣邊沿的建立/保持時間波動情況，如下圖所示6).CrossoverVoltageJitter7).Clk-outTimeJitter這個抖動

10、指標跟Setup/HoldTimeJitter類似，只不過Setup/HoldTimeJitter是相對于接收端而言的，而Clk-outTimeJitter是相對與發(fā)送端而言的。8).PLLTIE該參數(shù)用于高速串行數(shù)據(jù)的抖動測試中，PLLTIE使用了GlodenPLL來進行時鐘恢復，將串行數(shù)據(jù)速率除以1667作為PLL的環(huán)路帶寬。在實際測量中，我們經(jīng)常會遇到RMSJitter指標，實際上，RMS就是RootMeanSquare(均方根)，它等于概率分布密度函數(shù)的(pdf)的標準方差°。«i-1對于同時抖動的RMS值一般為pk-pk值的1/7。轉自：信號抖動的種類與測量信號完

11、整性分析基礎系列之五抖動的分類胡為東美國力科公司上海代表處2009年6月【摘要】本文簡要介紹了信號抖動在不同情況下的分類，如時鐘信號的抖動分類，數(shù)據(jù)信號的抖動分類以及這兩類抖動之間的聯(lián)系，指出了實際抖動測試過程中的注意事項，對抖動分析測試有一定的參考意義?！娟P鍵詞】峰峰值抖動相位抖動周期抖動固有抖動隨機抖動一、峰峰值抖動、均方根抖動過去多年來用于量化抖動的最常用的方法是峰峰值抖動(Peak-to-peakJitter)和均方根抖動(Root-Mean-SquareJitter,抖動直方圖或者抖動分布的1或者RMS值)。但是由于隨機抖動以及非固定抖動的存在，使得抖動的峰峰值隨著觀察樣本數(shù)量的增加

12、而增加，因此說峰峰值抖動參數(shù)用于衡量固有抖動會很有效，但是衡量隨機性抖動卻會出現(xiàn)很大誤差；相同的道理，由于固有抖動及非高斯性抖動和噪聲的存在，使得抖動的直方圖或者分布圖不呈現(xiàn)完全的高斯分布，因此統(tǒng)計得到的抖動的1°或者RMS值不等于真實高斯分布的1值。峰峰值抖動和均方根抖動均是對某一類抖動的統(tǒng)計分析指標。二、相位抖動、周期抖動、相鄰周期間抖動由于時鐘系統(tǒng)是數(shù)字電路系統(tǒng)非常關鍵的一部分，直接決定了數(shù)據(jù)信號發(fā)送和接收的成敗，是整個系統(tǒng)的主動脈，因此時鐘的抖動一直備受關注。描述時鐘系統(tǒng)的抖動參量一般分為三類，即相位抖動(Phasejitter)、周期抖動(Periodjitter)、相鄰周

13、期間抖動(Cycletocyclejitter).1、相位抖動在數(shù)字系統(tǒng)中，兩個邏輯電平之間的切換通常伴隨著快沿的出現(xiàn)，這些邊沿在時序上的不穩(wěn)定性就叫做相位抖動（phasejitter,有時也叫累積抖動，accumulatedjitter,指實際邊沿位置與理想邊沿位置的偏差，以時間為單位，也可以換算成弧度，角度等）；相位抖動是相位噪聲在數(shù)字域的等效體現(xiàn)，它是離散量，因此只有當邊沿存在時候才有定義。理想邊沿位置一般定義在數(shù)字信號一個比特位時間間隔的整數(shù)倍位置處。如下圖1所示為某一時忡的理想邊沿位置（In）利帶有抖動時實際邊沿位置匚）以及理想越沿位賢與實赫邊沿位41AtT.Tn舟rn+-l

14、3;ZL-IT-l置的時間差（斗）,假詵珀為理想時鐘周期場-兀m1和位抖動宦丈示宜閣相位抖動乂（時間表示,or”=丄加弧度表示）Z周期抖動（periodjitter）周期抖動是指實際時鐘周期與理想時鐘周期的偏離，如上圖1所示，第D個時榊周期為-/_!>，因此周期抖動定義為A（D禺.J由衛(wèi)乂一l瓷星乜=幾，故%=<y（耳么_門=甘三>-（如-卻）=&nn-l也就說，周期抖動休現(xiàn)了相位斜動的變化“3、楣鄰周期間抖動（cvcle-tQ-odejitier）相鄰周期間抖幼是指連建兩個廚期的周期值的侷基辿”=：U；'-，：7-2站亠J而乙-j-l-兀（：工-j-】二42

15、；打一2=Mtt說明栩鄰周期間抖動又體現(xiàn)了周期間抖動的變化。舉例如下；某100MHz時鐘第一個到第四個周期分別為9.9ns10.1nss99叫IO.Ous,假設其理想時鐘固定在10nsTIEJitlertn-1-Pl=93P2=10.1P3=9占P4=10-PeiiodJitterpk-pkvalue=10.1-9.9=0.2nsPeriodJitterRAIST»lue=參數(shù)F1.P4的標準偏差CycletoCyri?jitter'-Cl=P2-P1=10.1-9.9=山2Cl=P3-P2=9.9-10A=-0.2CS=P4-P3=10-9.9=0JXtnean)2'

16、;CycletocyclejitterPK-PK、sdiig=認斗H5CycletocvclejitterRAISvalue=霧數(shù)C1.C4的標準偏差標準偏差的計算公式匸*T1=10-9.9=0.1,T2二10-10.1=-0.1,T3二10-9.?=0.1T4=10-10-TLEpk-pkjitter=0.1-(-0-1)=0.2nsTIERMSjitter=參數(shù)T1.T4的標準偏差*Peiiod.Jitter=0不會直接使用時鐘的邊沿來保證時序關系，而是看周期的穩(wěn)定性，也就是周期的抖動，有時候時鐘周期越長，可能帶來保持時間余量不足的問題，這個時候就需要測量周期抖動；而相鄰周期間抖動常?？梢?/p>

17、用來衡量時鐘分頻器的穩(wěn)定性。總之，這三種抖動都是衡量時鐘本身性能的指標，在不同的應用背景下需要關注不同的指標，通常時鐘芯片的手冊會給出對時鐘的抖動指標要求。三、串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中抖動的分類在上一篇文章中，我們提到了串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中接收端芯片的工作原理以及TIE（TimeIntervalError）抖動的概念，即數(shù)據(jù)與時鐘之間的相對抖動，而不是單純指數(shù)據(jù)本身或者時鐘本身的抖動。那么如果我們假定時鐘邊沿位置（對于高速數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)，或者叫異步系統(tǒng)來說，該時鐘一般是恢復時鐘）為數(shù)據(jù)的理想邊沿，那么數(shù)據(jù)的TIE抖動事實上就是前文中分析時鐘抖動時的相位抖動，唯一不同的是時鐘信號的相位抖動在每一個時鐘周期都會有一

18、個數(shù)值；而數(shù)據(jù)信號常常有很多個連零電平或者連1電平，無邊沿存在，因此也就沒有對應的相位抖動數(shù)值。所以為了分清這兩類抖動的概念，我們姑且在本文中暫定義時鐘信號的相位抖動叫相位抖動；數(shù)據(jù)信號的相位抖動就叫做TIE抖動（時間間隔誤差）；TIE抖動是分析串行數(shù)據(jù)抖動的最基本單位，數(shù)據(jù)信號的每一個邊沿位置都會有一個TIE抖動值。一段很長的串行數(shù)據(jù)一定會包含數(shù)個上升沿或者下降沿，如下圖所示：圈2TIE動示意岡如果將所有邊沿處的TIE抖動做一個直方圖統(tǒng)計，我們可能會發(fā)現(xiàn)這些TIE值是具有一定的統(tǒng)計規(guī)律的，如下圖所示分別為呈現(xiàn)高斯分布的TIE抖動以及呈現(xiàn)雙峰分布的TIE抖動:Multimodal(exampl

19、e:randomjitter)(example:deterministicjitter)陰3TIE科功的兩種統(tǒng)計分命圖示剖呈現(xiàn)高斯分布的抖動通常是由于熱噪聲等引起的，稱為隨機抖動（RandomJitter）；呈現(xiàn)雙峰且將高斯曲線分成兩部分的雙峰之間的抖動值稱為固有抖動（DeterministicJitter）;通常來說抖動成分主要是由隨機抖動Rj和固有抖動Dj構成的，在之前的第二節(jié)我們有介紹到由于Rj的峰峰值是*的，隨著累積樣本數(shù)的增加而增加，因此通常是用統(tǒng)計標準偏差值（幾個sigma范圍內的抖動值）來衡量的；而Dj則是用峰峰值來衡量的。當前大部分串行數(shù)據(jù)標準要求測量誤碼率為10e-12時的總

20、體抖動（Tj）大小，而通常直方圖+/-7sigma以內的數(shù)據(jù)樣本數(shù)才能達到10e+12°Tj就是衡量Dj與Rj的整體影響的抖動術語。誤碼率為10e-12時的總體抖動Tj=14Rj+Dj（Rj是指1sigma時的抖動或者叫RMS抖動；Dj是固有抖動的峰峰值）100±2.1gDDO12.95rOUO+3.4100r0D0±4.1l.DOQjOOD±4呂±5.1lao.ofioQDo±e.a*Meaeurem-eiirt-Paraift&ter圖4直方圖排本分杓圏如果我們不用統(tǒng)計的方式來分析TIE抖動，而是在一個很長的時間軸上來看所

21、有的TIE抖動值的變化趨勢，即用如Lecroy示波器中的參數(shù)track的功能，我們也同樣能夠看出TIE抖動值的變化趨勢：罔5TIE抖胡值的討域變化超崢當TIE的樣本積累很多時，我們也能夠觀察到TIE參數(shù)變化的趨勢，如下圖所示,圖6A說的TIE捽缶價抿稅后的止技眉ffltt空乜芒站上圖藍色波形即為TIE抖動參數(shù)的變化趨勢，呈現(xiàn)了周期性的變化，如果對其做FFT變換，會發(fā)現(xiàn)有周期性的頻譜成分，這類抖動就稱為周期性抖動（Pj）,如下圖所示LE；cig=廚EjJ兀IHi?!:?:?Trager圖7TIE抖動的頻措圖口叵區(qū)i1'LcCrov5DA600USebu口.mVFilmVeriicalTi

22、rriebseTriciQei-DisplayCursorsMemeli舊Msrtti.*msl?eleLicillcleeHeI冃G.L<JMSa«dh'莎i?1WW5JD05ft1027:02AM周期性抖動Pj為固有抖動Dj的一部分，除此以外，還有和數(shù)據(jù)碼型相關的抖動DDj（數(shù)據(jù)相關性抖動）；占空比失真引起的DCD抖動；因數(shù)據(jù)碼型中0電平和1電平切換頻率不同導致的碼間干擾抖動ISI（因為不同頻率的信號經(jīng)過信道時衰減延遲是不一樣的）;由于高次諧波以及串擾引起的抖動，一般稱為OBUJ（其它的固有不相干抖動），這類抖動屬于固有抖動成分，但是數(shù)值很小，很容易和隨機抖動Rj混

23、到一起，不易區(qū)分，Lecroy的NQ-SCALE方法能夠較好的區(qū)分出這類抖動。綜上所述，串行數(shù)據(jù)的總體抖動Tj的構成如下樹狀圖:3ountiedJiiter(MerministcJitter)UnBcupdedRandomJitber)ComelaledJitter-DDj(DefendsanDa遅Pattern)DutyCyeleDistortion-DCDInler-SymbolInterferenceISIPericdcOtherBUj圖S半汀數(shù)據(jù)館休抖動Tj的分解閤表L抖動測量的參數(shù)及意文測邑參數(shù)盍義在特定BERJ的總抖動=樹有抖動，是總押動的隸一峰非隨機襯分口該參數(shù)區(qū)所測得的鬧期性押動CPj和數(shù)據(jù)ffl其性扌斗動fDDp之和.巧的繪常見屹岡.包括反射、串歆開關噪聲以及電隔干擾EMI=Pj周期性抖動（育時稱為“止弦抖動是由與數(shù)據(jù)信號不相關的竝丙引起的扌斗動該Dj組件來鬥丁柑鄰的電路倒如電源1墾聲、片上振蕩器、數(shù)抿總線象我J門可卽觀測其抖動頻率成井.再棍據(jù)茸強動頻率成分找列抖動源.采取柑關措崛減少料動口DDj數(shù)據(jù)相關抖動屋數(shù)據(jù)碼型本身相關的醴一嘩值抖動。ISI咼問干擾拝動，主疊是指和數(shù)據(jù)跳變序列相關的系統(tǒng)影響導致的押動DCD片空比失自屋隹朋捕獲的波形中測戟所育脈沖得到的1£|旬.肚沖£低一寓一低和負向