時間抖動(jitter)的概念及其分析方法

隨著通信系統(tǒng)中的時鐘速率邁入GHz級，抖動這個在模擬設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵的因素，也開始在數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域中日益得到人們的重視。在高速系統(tǒng)中，時鐘或振蕩器波形的時序誤差會限制一個數(shù)字I/O接口的最大速率。不僅如此，它還會導(dǎo)致通信鏈路的誤碼率增大，甚至限制A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍。有資料表明在3GHz以上的系統(tǒng)中，時間抖動（jitter）會導(dǎo)致碼間干擾（ISI），造成傳輸誤碼率上升。
在此趨勢下，高速數(shù)字設(shè)備的設(shè)計(jì)師們也開始更多地關(guān)注時序因素。本文向數(shù)字設(shè)計(jì)師們介紹了抖動的基本概念，分析了它對系統(tǒng)性能的影響，并給出了能夠?qū)⑾辔欢秳咏抵磷畹偷某Ｓ秒娐芳夹g(shù)。

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

時間抖動的概念

在理想情況下，一個頻率固定的完美的脈沖信號（以1MHz為例）的持續(xù)時間應(yīng)該恰好是1us，每500ns有一個跳變沿。但不幸的是，這種信號并不存在。如圖1所示，信號周期的長度總會有一定變化，從而導(dǎo)致下一個沿的到來時間不確定。這種不確定就是抖動。
抖動是對信號時域變化的測量結(jié)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(shù)文獻(xiàn)和規(guī)范中，時間抖動（jitter）被定義為高速串行信號邊沿到來時刻與理想時刻的偏差，所不同的是某些規(guī)范中將這種偏差中緩慢變化的成分稱為時間游走（wander），而將變化較快的成分定義為時間抖動（jitter）。

圖1 時間抖動示意圖

1．時間抖動的分類
抖動有兩種主要類型：確定性抖動和隨機(jī)性抖動。
確定性抖動是由可識別的干擾信號造成的，這種抖動通常幅度有限，具備特定的（而非隨機(jī)的）產(chǎn)生原因，而且不能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
隨機(jī)抖動是指由較難預(yù)測的因素導(dǎo)致的時序變化。例如，能夠影響半導(dǎo)體晶體材料遷移率的溫度因素，就可能造成載子流的隨機(jī)變化。另外，半導(dǎo)體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動。
2．時間抖動的描述方法
可以通過許多基本測量指標(biāo)確定抖動的特點(diǎn)，基本的抖動參數(shù)包括：
1)周期抖動（period jitter）
測量實(shí)時波形中每個時鐘和數(shù)據(jù)的周期的寬度。這是最早最直接的一種測量抖動的方式。這一指標(biāo)說明了時鐘信號每個周期的變化。
2)周期間抖動（cycle-cycle jitter）
測量任意兩個相鄰時鐘或數(shù)據(jù)的周期寬度的變動有多大，通過對周期抖動應(yīng)用一階差分運(yùn)算，可以得到周期間抖動。這個指標(biāo)在分析瑣相環(huán)性質(zhì)的時候具有明顯的意義。
3)時間間隔誤差（timer interval error，TIE）
測量時鐘或數(shù)據(jù)的每個活動邊沿與其理想位置有多大偏差，它使用參考時鐘或時鐘恢復(fù)提供理想的邊沿。TIE在通信系統(tǒng)中特別重要，因?yàn)樗f明了周期抖動在各個時期的累計(jì)效應(yīng)。
3．時間抖動的頻域表示——相位噪聲
相位噪聲是對信號時序變化的另一種測量方式，其時間抖動（jitter）在頻率域中的顯示。圖2用一個振蕩器信號來解釋相位噪聲。

如果沒有相位噪聲，那么振蕩器的整個功率都應(yīng)集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率擴(kuò)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(nèi)的信號功率與信號的總功率比值。

圖2 相位噪聲示意圖

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

圖8Jitter模型

1．隨機(jī)抖動（RJ，Random Jitter）
隨機(jī)抖動是時間上的噪音，并沒有任何已知的模式。盡管在隨機(jī)過程的理論中，隨機(jī)抖動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：第一，許多電路中，隨機(jī)噪聲的主要來源是熱噪聲，其具有高斯分布；第二，根據(jù)中心極限定律，許多獨(dú)立不相關(guān)噪聲源疊加后趨近于一個高斯分布。由于隨機(jī)抖動滿足高斯分布，因此它的峰值是無界的。這是隨機(jī)抖動區(qū)別于確定性抖動的重要特征。
2．確定性抖動（DJ，Deterministic Jitter）
相對于隨機(jī)抖動，確定性抖動（DJ）是可以重復(fù)和預(yù)測的時間抖動，因此，DJ的峰峰值是有界的，而這個邊界的位置隨著測量次數(shù)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(yīng)的物理機(jī)制。
1)數(shù)據(jù)依賴型抖動（DDJ，Data Dependent Jitter）
數(shù)據(jù)依賴型抖動是和數(shù)據(jù)每一位內(nèi)容相關(guān)的抖動。通常產(chǎn)生DDJ的原因是數(shù)據(jù)流通過帶寬明顯受限的信道時，出現(xiàn)碼間干擾（ISI）而引起的。DDJ通常具