高清世界時(shí)鐘所面臨的挑戰(上)

　　引言

　　人類(lèi)是自然界富于感覺(jué)的創(chuàng )造物，我們根據自己的所見(jiàn)、所聽(tīng)、所聞、所感以及所品嘗到的去學(xué)習、理解和享受周?chē)氖澜?。因而，當提到電子設備的創(chuàng )新時(shí)，能夠讓我們的感覺(jué)產(chǎn)生反應的那一部分設計，大多依賴(lài)于高性能模擬信號路徑技術(shù)。在增強對于電子的感覺(jué)和反應的模擬信號路徑中，最能引起興趣的一個(gè)例子是從模擬到數字以及從數字到模擬的轉換。

　　數據轉換器(ADC/DAC)是電子系統創(chuàng )新的主要領(lǐng)域。雖然不久前，架構方式還僅僅限定于研究論文中或者夠經(jīng)濟因素而不可行，但是現在，糸統設計者已經(jīng)可以實(shí)現架構方式。采用高性能數據轉換器的系統中最重要的設計挑戰之一是如何實(shí)現時(shí)鐘產(chǎn)生模塊的輸入信號采樣。通常， “受限于時(shí)鐘”設計者需要依靠非常昂貴的時(shí)鐘生成器才能將系統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)現高性能數據轉換的設計者提供了基本的工具，并特別強調時(shí)鐘特性對于數據轉換性能的重要性。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”計時(shí)器件。最后，闡明設計專(zhuān)門(mén)面向應用的計時(shí)器件性能的方法。第二部分將以第一部分的論述為基礎，探討設計者在系統級上必須把握的關(guān)鍵折衷處理。

　　精密時(shí)鐘及通信

　　現在是消費者趕上多媒體世界的大好時(shí)機。在一定程度上，我們要感謝高性能模擬技術(shù)的作用。多媒體內容全部組合在一個(gè)數據包之內，然后發(fā)送到由通信基礎設施所傳輸的數據流之中。這些數據流要求設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(huà)，而在數據聚集的情況下，這一點(diǎn)尤其重要。在宏觀(guān)的水平上，這種基礎設施(生成端/訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )與內核以及骨干傳送)要求一個(gè)有精密時(shí)鐘的復雜網(wǎng)絡(luò )，這樣才能根據需求可靠的傳送數據包。在傳輸過(guò)程中，數據內容通過(guò)高性能數據轉換器進(jìn)行模擬/數字分配。通過(guò)上述的基礎設施數據被傳輸給消費者，并通過(guò)另外一個(gè)數據轉換器將其轉換為原始的高清信號。無(wú)論采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)傳輸媒體，精密時(shí)鐘在決定系統性能方面都起到了舉足輕重的作用。然而，精密時(shí)鐘的應用并不局限于傳遞多媒體數據方面。事實(shí)上，在任何進(jìn)行大量數據傳輸的應用中，都可以發(fā)現低噪聲、高精度時(shí)鐘的蹤影。

　　從時(shí)域的角度來(lái)看信號采樣

　　圖1(b)顯示出采用非對稱(chēng)梯形脈沖形式的輸入波形(Vin)。如果使用一個(gè)無(wú)噪聲時(shí)鐘的完美數據轉換器來(lái)量化Vin，則圖1(a)顯示出其輸入波形的表現形式。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(xiàn)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(wú)失真版本。圖1(b) 中也顯示出了陰影區域，它表示假設采樣時(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，但并不位于陰影區域的中心。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。由於數據接受系統不了解時(shí)鐘噪聲或者對其進(jìn)行補償的任何方式，在X軸上每個(gè)對應的值為適時(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果，這是原始輸入波形的失真版本。對于這些圖示，我們可得出下面三個(gè)關(guān)鍵的觀(guān)點(diǎn)：