高清世界時鐘所面臨的挑戰(zhàn)(上)

　　引言

　　人類是自然界富于感覺的創(chuàng)造物，我們根據(jù)自己的所見、所聽、所聞、所感以及所品嘗到的去學習、理解和享受周圍的世界。因而，當提到電子設備的創(chuàng)新時，能夠讓我們的感覺產(chǎn)生反應的那一部分設計，大多依賴于高性能模擬信號路徑技術。在增強對于電子的感覺和反應的模擬信號路徑中，最能引起興趣的一個例子是從模擬到數(shù)字以及從數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)是電子系統(tǒng)創(chuàng)新的主要領域。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(xiàn)在，糸統(tǒng)設計者已經(jīng)可以實現(xiàn)架構方式。采用高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中最重要的設計挑戰(zhàn)之一是如何實現(xiàn)時鐘產(chǎn)生模塊的輸入信號采樣。通常， “受限于時鐘”設計者需要依靠非常昂貴的時鐘生成器才能將系統(tǒng)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現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的設計者提供了基本的工具，并特別強調(diào)時鐘特性對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能的重要性。首先，文章討論了一些時鐘性能的基本概念。其次，文章將“剖析”計時器件。最后，闡明設計專門面向應用的計時器件性能的方法。第二部分將以第一部分的論述為基礎，探討設計者在系統(tǒng)級上必須把握的關鍵折衷處理。

　　精密時鐘及通信

　　現(xiàn)在是消費者趕上多媒體世界的大好時機。在一定程度上，我們要感謝高性能模擬技術的作用。多媒體內(nèi)容全部組合在一個數(shù)據(jù)包之內(nèi)，然后發(fā)送到由通信基礎設施所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流之中。這些數(shù)據(jù)流要求設備具有較大的帶寬以便能夠提供給高清電視、個人視頻播放器和移動電話，而在數(shù)據(jù)聚集的情況下，這一點尤其重要。在宏觀的水平上，這種基礎設施(生成端/訪問網(wǎng)絡與內(nèi)核以及骨干傳送)要求一個有精密時鐘的復雜網(wǎng)絡，這樣才能根據(jù)需求可靠的傳送數(shù)據(jù)包。在傳輸過程中，數(shù)據(jù)內(nèi)容通過高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進行模擬/數(shù)字分配。通過上述的基礎設施數(shù)據(jù)被傳輸給消費者，并通過另外一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為原始的高清信號。無論采用有線或無線傳輸媒體，精密時鐘在決定系統(tǒng)性能方面都起到了舉足輕重的作用。然而，精密時鐘的應用并不局限于傳遞多媒體數(shù)據(jù)方面。事實上，在任何進行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽弥校伎梢园l(fā)現(xiàn)低噪聲、高精度時鐘的蹤影。

　　從時域的角度來看信號采樣

　　圖1(b)顯示出采用非對稱梯形脈沖形式的輸入波形(Vin)。如果使用一個無噪聲時鐘的完美數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來量化Vin，則圖1(a)顯示出其輸入波形的表現(xiàn)形式。同時，圖1(b)上的黑點即為所需的采樣點。圖1(a)上面的線顯示出這些點的位置變換情況。這些點形成了波形的無失真版本。圖1(b) 中也顯示出了陰影區(qū)域，它表示假設采樣時鐘具有噪聲(抖動)成分時，采樣時鐘脈沖邊沿產(chǎn)生的一系列可能時間范圍。不定的采樣區(qū)域以紅點表示。 這些點都位于可能的時鐘脈沖邊沿的范圍之內(nèi)，但并不位于陰影區(qū)域的中心。圖1(c)顯示出不定的采樣范圍。 在Y軸上記錄的每個值都是Vin 在(不定的)采樣點上的幅度。由於數(shù)據(jù)接受系統(tǒng)不了解時鐘噪聲或者對其進行補償?shù)娜魏畏绞剑赬軸上每個對應的值為適時的“完美”采樣點。

圖1 失真和時鐘抖動

　　由于采樣時鐘的抖動所以采用不定采樣。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關鍵的觀點：