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，抖動這個在模擬設計中十分關鍵的因素，也開始在數字設計領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字I/O接口的最大速率。不僅如此，它還會導致通信鏈路的誤碼率增大，甚至限制A/D轉換器的動態(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始更多地關注時序因素。本文向數字設計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，并給出了能夠將相位抖動降至最低的常用電路技術。

本文介紹了時間抖動（jitter）的概念及其分析方法。在數字通信系統(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量的關鍵因素。
關鍵字：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果，它從本質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(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（而非隨機的）產生原因，而且不能進行統(tǒng)計分析。
隨機抖動是指由較難預測的因素導致的時序變化。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。
2．時間抖動的描述方法
可以通過許多基本測量指標確定抖動的特點，基本的抖動參數包括：
1)周期抖動（period jitter）
測量實時波形中每個時鐘和數據的周期的寬度。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據的周期寬度的變動有多大，通過對周期抖動應用一階差分運算，可以得到周期間抖動。這個指標在分析瑣相環(huán)性質的時候具有明顯的意義。
3)時間間隔誤差（timer interval error，TIE）
測量時鐘或數據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提供理想的邊沿。TIE在通信系統(tǒng)中特別重要，因為他說明了周期抖動在各個時期的累計效應。
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展到相鄰的頻率中去，產生了邊帶(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。根據產生jitter的原因不同，對jitter模型一般如下：

圖8Jitter模型

1．隨機抖動（RJ，Random Jitter）
隨機抖動是時間上的噪音，并沒有任何已知的模式。盡管在隨機過程的理論中，隨機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，隨機噪聲的主要來源是熱噪聲，其具有高斯分布；第二，根據中心極限定律，許多獨立不相關噪聲源疊加后趨近于一個高斯分布。由于隨機抖動滿足高斯分布，因此它的峰值是無界的。這是隨機抖動區(qū)別于確定性抖動的重要特征。
2．確定性抖動（DJ，Deterministic Jitter）
相對于隨機抖動，確定性抖動（DJ）是可以重復和預測的時間抖動，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的增加可以逼近真實值。DJ又可以分成幾種，每種有自己的特點和背后對應的物理機制。
1)數據依賴型抖動（DDJ，Data Dependent Jitter）
數據依賴型抖動是和數據每一位內容相關的抖動。通常產生DDJ的原因是數據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