時(shí)間抖動(dòng)(jitter)的概念及其分析方法

隨著(zhù)通信系統中的時(shí)鐘速率邁入GHz級，抖動(dòng)這個(gè)在模擬設計中十分關(guān)鍵的因素，也開(kāi)始在數字設計領(lǐng)域中日益得到人們的重視。在高速系統中，時(shí)鐘或振蕩器波形的時(shí)序誤差會(huì )限制一個(gè)數字I/O接口的最大速率。不僅如此，它還會(huì )導致通信鏈路的誤碼率增大，甚至限制A/D轉換器的動(dòng)態(tài)范圍。有資料表明在3GHz以上的系統中，時(shí)間抖動(dòng)（jitter）會(huì )導致碼間干擾（ISI），造成傳輸誤碼率上升。
在此趨勢下，高速數字設備的設計師們也開(kāi)始更多地關(guān)注時(shí)序因素。本文向數字設計師們介紹了抖動(dòng)的基本概念，分析了它對系統性能的影響，并給出了能夠將相位抖動(dòng)降至最低的常用電路技術(shù)。

本文介紹了時(shí)間抖動(dòng)（jitter）的概念及其分析方法。在數字通信系統，特別是同步系統中，隨著(zhù)系統時(shí)鐘頻率的不斷提高，時(shí)間抖動(dòng)成為影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
關(guān)鍵字：時(shí)間抖動(dòng)、jitter、相位噪聲、測量

時(shí)間抖動(dòng)的概念

在理想情況下，一個(gè)頻率固定的完美的脈沖信號（以1MHz為例）的持續時(shí)間應該恰好是1us，每500ns有一個(gè)跳變沿。但不幸的是，這種信號并不存在。如圖1所示，信號周期的長(cháng)度總會(huì )有一定變化，從而導致下一個(gè)沿的到來(lái)時(shí)間不確定。這種不確定就是抖動(dòng)。
抖動(dòng)是對信號時(shí)域變化的測量結果，它從本質(zhì)上描述了信號周期距離其理想值偏離了多少。在絕大多數文獻和規范中，時(shí)間抖動(dòng)（jitter）被定義為高速串行信號邊沿到來(lái)時(shí)刻與理想時(shí)刻的偏差，所不同的是某些規范中將這種偏差中緩慢變化的成分稱(chēng)為時(shí)間游走（wander），而將變化較快的成分定義為時(shí)間抖動(dòng)（jitter）。

圖1 時(shí)間抖動(dòng)示意圖

1．時(shí)間抖動(dòng)的分類(lèi)
抖動(dòng)有兩種主要類(lèi)型：確定性抖動(dòng)和隨機性抖動(dòng)。
確定性抖動(dòng)是由可識別的干擾信號造成的，這種抖動(dòng)通常幅度有限，具備特定的（而非隨機的）產(chǎn)生原因，而且不能進(jìn)行統計分析。
隨機抖動(dòng)是指由較難預測的因素導致的時(shí)序變化。例如，能夠影響半導體晶體材料遷移率的溫度因素，就可能造成載子流的隨機變化。另外，半導體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動(dòng)。
2．時(shí)間抖動(dòng)的描述方法
可以通過(guò)許多基本測量指標確定抖動(dòng)的特點(diǎn)，基本的抖動(dòng)參數包括：
1)周期抖動(dòng)（period jitter）
測量實(shí)時(shí)波形中每個(gè)時(shí)鐘和數據的周期的寬度。這是最早最直接的一種測量抖動(dòng)的方式。這一指標說(shuō)明了時(shí)鐘信號每個(gè)周期的變化。
2)周期間抖動(dòng)（cycle-cycle jitter）
測量任意兩個(gè)相鄰時(shí)鐘或數據的周期寬度的變動(dòng)有多大，通過(guò)對周期抖動(dòng)應用一階差分運算，可以得到周期間抖動(dòng)。這個(gè)指標在分析瑣相環(huán)性質(zhì)的時(shí)候具有明顯的意義。
3)時(shí)間間隔誤差（timer interval error，TIE）
測量時(shí)鐘或數據的每個(gè)活動(dòng)邊沿與其理想位置有多大偏差，它使用參考時(shí)鐘或時(shí)鐘恢復提供理想的邊沿。TIE在通信系統中特別重要，因為他說(shuō)明了周期抖動(dòng)在各個(gè)時(shí)期的累計效應。
3．時(shí)間抖動(dòng)的頻域表示——相位噪聲
相位噪聲是對信號時(shí)序變化的另一種測量方式，其時(shí)間抖動(dòng)（jitter）在頻率域中的顯示。圖2用一個(gè)振蕩器信號來(lái)解釋相位噪聲。

如果沒(méi)有相位噪聲，那么振蕩器的整個(gè)功率都應集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現將振蕩器的一部分功率擴展到相鄰的頻率中去，產(chǎn)生了邊帶(sideband)。從圖2中可以看出，在離中心頻率一定合理距離的偏移頻率處，邊帶功率滾降到1/fm，fm是該頻率偏離中心頻率的差值。
相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內的信號功率與信號的總功率比值。

圖2 相位噪聲示意圖

時(shí)間抖動(dòng)的模型
為了更好的對jitter進(jìn)行描述，需要建立一套模型來(lái)分析不同情況下jitter的影響。根據產(chǎn)生jitter的原因不同，對jitter模型一般如下：

圖8Jitter模型

1．隨機抖動(dòng)（RJ，Random Jitter）
隨機抖動(dòng)是時(shí)間上的噪音，并沒(méi)有任何已知的模式。盡管在隨機過(guò)程的理論中，隨機抖動(dòng)可能有各種概率分布，但是jitter模型中通常假定為高斯正態(tài)分布。原因有兩個(gè)：第一，許多電路中，隨機噪聲的主要來(lái)源是熱噪聲，其具有高斯分布；第二，根據中心極限定律，許多獨立不相關(guān)噪聲源疊加后趨近于一個(gè)高斯分布。由于隨機抖動(dòng)滿(mǎn)足高斯分布，因此它的峰值是無(wú)界的。這是隨機抖動(dòng)區別于確定性抖動(dòng)的重要特征。
2．確定性抖動(dòng)（DJ，Deterministic Jitter）
相對于隨機抖動(dòng)，確定性抖動(dòng)（DJ）是可以重復和預測的時(shí)間抖動(dòng)，因此，DJ的峰峰值是有界的，而這個(gè)邊界的位置隨著(zhù)測量次數的增加可以逼近真實(shí)值。DJ又可以分成幾種，每種有自己的特點(diǎn)和背后對應的物理機制。
1)數據依賴(lài)型抖動(dòng)（DDJ，Data Dependent Jitter）
數據依賴(lài)型抖動(dòng)是和數據每一位內容相關(guān)的抖動(dòng)。通常產(chǎn)生DDJ的原因是數據流通過(guò)帶寬明顯受限的信道時(shí)，出現碼間干擾（ISI）而引起的。DDJ通常具