Jitter及其测试技术介绍

Jitter及其测试技术介绍本文主要介绍时间抖动（jitter）的概念及其分析方法。在数字通信系统，特别是同步系统中，随着系统时钟频率的不断提高，时间抖动成为影响通信质量的关键因素。一、时间抖动的概念在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号（以1MHz为例）的持续时间应该恰好是1us，每500ns有一个跳变沿。但是这种信号并不存在。如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。这种不确定就是抖动。抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。在绝大多数文献和规范中，时间抖动（jitter）被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差，所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走（wander），而将变化较快的成分定义为时间抖动（jitter）。1.1．时间抖动的分类抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动。确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的，这种抖动通常幅度有限，具备特定的（而非随机的）产生原因，而且不能进行统计分析。随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。例如，能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素，就可能造成载子流的随机变化。另外，半导体加工工艺的变化，例如掺杂密度不均，也可能造成抖动。1.2．时间抖动的描述方法可以通过许多基本测量指标确定抖动的特点，基本的抖动参数包括：1)周期抖动（periodjitter）测量实时波形中每个时钟和数据的周期的宽度。这是最早最直接的一种测量抖动的方式。这一指标说明了时钟信号每个周期的变化。2)周期间抖动（cycle-cyclejitter）测量任意两个相邻时钟或数据的周期宽度的变动有多大，通过对周期抖动应用一阶差分运算，可以得到周期间抖动。这个指标在分析琐相环性质的时候具有明显的意义。3)时间间隔误差（timerintervalerror，TIE）测量时钟或数据的每个活动边沿与其理想位置有多大偏差，它使用参考时钟或时钟恢复提供理想的边沿。TIE在通信系统中特别重要，因为他说明了周期抖动在各个时期的累计效应。1.3．时间抖动的频域表示——相位噪声相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其时间抖动（jitter）在频率域中的显示。图2用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。1.4与抖动相关概念1.抖动与漂移（Jittervs.wander）抖动（jitter），定义为数字信号在特定时刻相对于理想时间位置的短时间的、非累积性的偏离；度量的单位有绝对时间单位(s)和相对时间单位(UI)两种（工程应用一般选择UI）。抖动时间函数的最大值和最小值之间的差为抖动的峰-峰值Ap-p,一般以UI为Ap-p的相对单位，记为“UI，UI是一个抖动的相对度量单位。漂移（wander），与抖对定义相似，对于理想位置的偏离是长时间的。所谓长时间偏离是指变化频率低于10Hz相的变化。Jitter和Wander以10Hz为划分标准，可以认为抖动是相位噪声中高频成份，漂移则是相位噪声中的低频成份。漂移（低频成份）产生的主要原因是使媒介质和设备中传输时延的变化。抖动（高频成份）产生的主要原因是内部噪声引起的过零点随机变化。2.抖动与偏移（Jittervs.skew）系统时序设计中对时钟信号的要求是非常严格的，因为我们所有的时序计算都是以恒定的时钟信号为基准。但实际中时钟信号往往不可能总是那么完美，会出现抖动(Jitter)和偏移（Skew）问题。所谓抖动(jitter)，就是指两个时钟周期之间存在的差值，这个误差是在时钟发生器内部产生的，和晶振或者PLL内部电路有关，布线对其没有影响。除此之外，还有一种由于周期内信号的占空比发生变化而引起的抖动，称之为半周期抖动。总的来说，jitter可以认为在时钟信号本身在传输过程中的一些偶然和不定的变化之总和。时钟偏移(skew)是指同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。它表现的形式是多种多样的，既包含了时钟驱动器的多个输出之间的偏移，也包含了由于PCB走线误差造成的接收端和驱动端时钟信号之间的偏移。二、时间抖动的模型为了更好的对jitter进行描述，需要建立一套模型来分析不同情况下jitter的影响。根据产生jitter的原因不同，对jitter模型一般如下：1．随机抖动（RJ，RandomJitter）随机抖动是时间上的噪音，并没有任何已知的模式。尽管在随机过程的理论中，随机抖动可能有各种概率分布，但是jitter模型中通常假定为高斯正态分布。原因有两个：第一，许多电路中，随机噪声的主要来源是热噪声，其具有高斯分布；第二，根据中心极限定律，许多独立不相关噪声源叠加后趋近于一个高斯分布。由于随机抖动满足高斯分布，因此它的峰值是无界的。这是随机抖动区别于确定性抖动的重要特征。2．确定性抖动（DJ，DeterministicJitter）相对于随机抖动，确定性抖动（DJ）是可以重复和预测的时间抖动，因此，DJ的峰峰值是有界的，而这个边界的位置随着测量次数的增加可以逼近真实值。DJ又可以分成几种，每种有自己的特点和背后对应的物理机制。1)数据依赖型抖动（DDJ，DataDependentJitter）数据依赖型抖动是和数据每一位内容相关的抖动。通常产生DDJ的原因是数据流通过带宽明显受限的信道时，出现码间干扰（ISI）而引起的。DDJ通常具有两个分立脉冲形式的直方图，并且两个峰的高度相同（根据峰所处的位置又可以分成高概率DDJ和低概率DDJ）。2)占空比失真抖动（DCD，DutyCycleDistortion）占空比失真抖动是当时钟信号占空比不是50％时，由于过零点的位置不同所带来的测量抖动。其产生的原因有两种，其一，信号上升沿的摆率和下降沿的摆率不同，其二，由于判决阈值偏高或偏低。DCD通常具有和DDJ类似的两个分立脉冲形式的直方图，并且两个峰的高度相同。3)有界不相关抖动（BUJ，BoundedUncorrelatedJitter）有界不相关抖动是一类在时间上不与jitter测量时刻相关，分布上有具有有界峰峰值的时间抖动的统称。其来源通常有3种：电源噪声。由于供电电源带来的噪声，可能会影响误码率；串扰和外部噪声。由于传输过程中可能由相邻传输线或外部电磁干扰引起的噪声；周期性噪声。由于各种周期性噪声带来的信号周期性抖动（PJ，PeriodJitter）。例如：开关电源噪声或测试时使用的周期信号。只有单一频率成分的周期性抖动（PJ）具有一个两端为峰值中间凹陷形式的直方图。3．Jitter的分离由于实际测试中，往往得到的复合时间抖动是由以上两种或几种Jitter模型的组合。利用概率论的知识可以知道复合抖动概率密度函数是组成该抖动的各个随机变量的概率密度函数的卷积。例如，一个DCD抖动和一个随机抖动的概率密度函数是将随机的高斯分布调制到DCD的两个尖峰上。此外，对于周期性抖动（PJ）不光有基波成分，往往还伴随着高次谐波。三、时间抖动的分析手段1．统计特性和统计直方图由于所有包含jitter的信号中都有随机成分的存在，因此统计计算被广泛应用在jitter性能的评估中。常用的统计参数有平均值、标准差、最大值、最小值、峰峰值等。通常采用直方图的形式来形象的描述jitter的这些统计特性。统计直方图的横坐标是jitter的大小，纵坐标是jitter在某一区间内出现的频率。当测量次数足够多时，直方图是对jitter大小的概率密度函数的一个很好的估计，因此在通过jitter估计系统误码率时，统计直方图发挥着及其重要的作用。随机抖动的统计直方图周期抖动的统计直方图需要注意的是直方图中不包含每个jitter点发生的先后顺序，因此不能用来显示jitter中存在的周期性信息。2．Jiiter—时间曲线和Jitter的频率谱由于统计直方图不能显示Jitter中存在的调制或周期性成分信息，这时可以用Jitter－时间曲线来描述Jitter随时间变化的趋势。曲线的横坐标为测量Jitter的时刻，纵坐标为Jitter的大小。这样从图中就可以清楚的看到Jitter随时间变化的模式。既然Jitter中有随时间周期变化的成分，那么有一个很显然的分析手段就是对Jitter－时间曲线做傅立叶变换，从而得到其频域的特征。Jitter－时间曲线Jitter频谱3．眼图目前为止，眼图仍然是分析数字通信过程中的一种定性而方便的方法，它可以同时给出传输的幅度信息和时间信息。将一系列波形的短段将叠加在一起，与额定边沿位置和电压电平对齐。一旦抖动达到+-0.5UI，眼睛会闭上，接收机电路会出现误码。需要注意的是在测量眼图时使用的触发源应该是有高频率稳定度低Jitter的标准时钟源，其指标直接影响到测量的精度。如果直接用测试信号的边沿做触发，需要示波器有时钟恢复功能。四、时间抖动的测量下面我们对现有的Jitter测量技术做一下简单介绍。根据测试仪器和测试目的的不同，可以将直接测量技术分为两大类：一、以得到Jitter时域或频域特征为目的的测量方法，如实时采样示波器、等效采样示波器、时间间隔测量仪等；二、以得到Jitter统计特征为目的的测量方法，如误码率测量仪、不含触发或外时钟模式下的时间间隔分析仪、带有统计分析功能时示波器等。现在有些仪器同时具有时频测量和统计分析的功能，因此在Jitter测量中得到广泛的使用。此外，还可以通过对相位噪声的测量间接测量时间抖动。如下我们介绍几种常用的测试方法。1．示波器测量Jitter使用示波器测量信号的Jitter首先要求示波器有足够的带宽、信噪比、分辨率、时间准确度和信号保真度，以减少测量误差带来的影响。示波器内部往往采用软件的时钟恢复手段恢复出理想的边沿时刻（当然也可以采用外接高品质时钟源触发作为理想边沿时刻），此时示波器就可以通过叠加生成眼图。通过对眼图的分析，从而得到Jitter的各种参数。1）PeriodJitterPeriodjitteristhemaximumchangeinaclock’soutputtransitionfromitsidealposition.Figure3.isagraphicalrepresentationofperiodjitter.Periodjittermeasurementsareusedtocalculatetimingmarginsinsystems.Onemethodofmeasuringperiodjitterrequiresastorageoscilloscope.Triggerontherisingedgeoftheclockandscrollthedisplayuntilarisingedgeoftheclockisdisplayed.Tooverlaytherisingedges,turnoninfinitepersistenceinthedisplaymenu.Risingedgesarethenoverlaidontopofoneanother.Anumberofcyclescanbespecifiedoracertaintimeelapsedcanbeset.Theperiodjitterissimplythebandoftherisingedgedisplayedonthescope.2）Cycle-to-CycleJitterCycle-to-cyclejitteristhechangeinaclock’soutputtransitionfromitscorrespo