ITU-T G.701標準對抖動(dòng)的定義為：“抖動(dòng)是指數字信號在短期內重要的瞬時(shí)變化相對于理想位置發(fā)生的偏移”。
信號抖動(dòng)值的測量主要分為時(shí)鐘、并行總線(xiàn)和高速串行數據三大類(lèi)。時(shí)鐘抖動(dòng)的測量指標有：Period Jitter (周期抖動(dòng))，Cycle to Cycle Jitter (周期間抖動(dòng))，N-Cycle Jitter (N個(gè)周期后抖動(dòng))，TIE (時(shí)間間隔誤差)四種；并行總線(xiàn)以及其它所有的源同步數據總線(xiàn)中的數據與時(shí)鐘相關(guān)抖動(dòng)的測量指標有：Setup/Hold time jitter(建立/保持時(shí)間抖動(dòng))，Clk-out time jitter，Crossover Voltage Jitter(差分交點(diǎn)電壓抖動(dòng))三種；高速串行數據的抖動(dòng)測量主要PLL TIE。
抖動(dòng)的分類(lèi)
胡為東 美國力科公司上海代表處
2009年6月
【摘要】
本文簡(jiǎn)要介紹了信號抖動(dòng)在不同情況下的分類(lèi)，如時(shí)鐘信號的抖動(dòng)分類(lèi)，數據信號的抖動(dòng)分類(lèi)以及這兩類(lèi)抖動(dòng)之間的聯(lián)系，指出了實(shí)際抖動(dòng)測試過(guò)程中的注意事項，對抖動(dòng)分析測試有一定的參考意義。
【關(guān)鍵詞】
峰峰值抖動(dòng) 相位抖動(dòng) 周期抖動(dòng)固有抖動(dòng)隨機抖動(dòng)
一、峰峰值抖動(dòng)、均方根抖動(dòng)
過(guò)去多年來(lái)用于量化抖動(dòng)的最常用的方法是峰峰值抖動(dòng)（Peak-to-peak Jitter）和均方根抖動(dòng)（Root-Mean-Square Jitter,抖動(dòng)直方圖或者抖動(dòng)分布的1 或者RMS值）。但是由于隨機抖動(dòng)以及非固定抖動(dòng)的存在，使得抖動(dòng)的峰峰值隨著(zhù)觀(guān)察樣本數量的增加而增加，因此說(shuō)峰峰值抖動(dòng)參數用于衡量固有抖動(dòng)會(huì )很有效，但是衡量隨機性抖動(dòng)卻會(huì )出現很大誤差；相同的道理，由于固有抖動(dòng)及非高斯性抖動(dòng)和噪聲的存在，使得抖動(dòng)的直方圖或者分布圖不呈現完全的高斯分布，因此統計得到的抖動(dòng)的1σ或者RMS值不等于真實(shí)高斯分布的1 值。
峰峰值抖動(dòng)和均方根抖動(dòng)均是對某一類(lèi)抖動(dòng)的統計分析指標。
二、相位抖動(dòng)、周期抖動(dòng)、相鄰周期間抖動(dòng)
由于時(shí)鐘系統是數字電路系統非常關(guān)鍵的一部分，直接決定了數據信號發(fā)送和接收的成敗，是整個(gè)系統的主動(dòng)脈，因此時(shí)鐘的抖動(dòng)一直備受關(guān)注。描述時(shí)鐘系統的抖動(dòng)參量一般分為三類(lèi)，即相位抖動(dòng)（Phase jitter）、周期抖動(dòng)(Period jitter)、相鄰周期間抖動(dòng)(Cycle to cycle jitter).
1、相位抖動(dòng)
在數字系統中，兩個(gè)邏輯電平之間的切換通常伴隨著(zhù)快沿的出現，這些邊沿在時(shí)序上的不穩定性就叫做相位抖動(dòng)（phase jitter,有時(shí)也叫累積抖動(dòng)，accumulated jitter，指實(shí)際邊沿位置與理想邊沿位置的偏差，以時(shí)間為單位，也可以換算成弧度，角度等）；相位抖動(dòng)是相位噪聲在數字域的等效體現，它是離散量，因此只有當邊沿存在時(shí)候才有定義。
理想邊沿位置一般定義在數字信號一個(gè)比特位時(shí)間間隔的整數倍位置處。如下圖1所示為某一
不會(huì )直接使用時(shí)鐘的邊沿來(lái)保證時(shí)序關(guān)系，而是看周期的穩定性，也就是周期的抖動(dòng)，有時(shí)候時(shí)鐘周期越長(cháng)，可能帶來(lái)保持時(shí)間余量不足的問(wèn)題，這個(gè)時(shí)候就需要測量周期抖動(dòng)；而相鄰周期間抖動(dòng)常?？梢杂脕?lái)衡量時(shí)鐘分頻器的穩定性?？傊?，這三種抖動(dòng)都是衡量時(shí)鐘本身性能的指標，在不同的應用背景下需要關(guān)注不同的指標，通常時(shí)鐘芯片的手冊會(huì )給出對時(shí)鐘的抖動(dòng)指標要求。
三、串行數據系統中抖動(dòng)的分類(lèi)
在上一篇文章中，我們提到了串行數據系統中接收端芯片的工作原理以及TIE（Time Interval Error）抖動(dòng)的概念,即數據與時(shí)鐘之間的相對抖動(dòng)，而不是單純指數據本身或者時(shí)鐘本身的抖動(dòng)。那么如果我們假定時(shí)鐘邊沿位置（對于高速數據鏈路系統，或者叫異步系統來(lái)說(shuō)，該時(shí)鐘一般是恢復時(shí)鐘）為數據的理想邊沿，那么數據的TIE抖動(dòng)事實(shí)上就是前文中分析時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)的相位抖動(dòng)，唯一不同的是時(shí)鐘信號的相位抖動(dòng)在每一個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì )有一個(gè)數值；而數據信號常常有很多個(gè)連零電平或者連1電平，無(wú)邊沿存在，因此也就沒(méi)有對應的相位抖動(dòng)數值。所以為了分清這兩類(lèi)抖動(dòng)的概念，我們姑且在本文中暫定義時(shí)鐘信號的相位抖動(dòng)叫相位抖動(dòng)；數據信號的相位抖動(dòng)就叫做TIE抖動(dòng)（時(shí)間間隔誤差）；
TIE抖動(dòng)是分析串行數據抖動(dòng)的最基本單位，數據信號的每一個(gè)邊沿位置都會(huì )有一個(gè)TIE抖動(dòng)值。一段很長(cháng)的串行數據一定會(huì )包含數個(gè)上升沿或者下降沿，如下圖所示：
如果將所有邊沿處的TIE抖動(dòng)做一個(gè)直方圖統計，我們可能會(huì )發(fā)現這些TIE值是具有一定的統計規律的，如下圖所示分別為呈現高斯分布的TIE抖動(dòng)以及呈現雙峰分布的TIE抖動(dòng)：
呈現高斯分布的抖動(dòng)通常是由于熱噪聲等引起的，稱(chēng)為隨機抖動(dòng)（Random Jitter）；呈現雙峰且將高斯曲線(xiàn)分成兩部分的雙峰之間的抖動(dòng)值稱(chēng)為固有抖動(dòng)（Deterministic Jitter）;通常來(lái)說(shuō)抖動(dòng)成分主要是由隨機抖動(dòng)Rj和固有抖動(dòng)Dj構成的，在之前的第二節我們有介紹到由于Rj的峰峰值是
****的，隨著(zhù)累積樣本數的增加而增加，因此通常是用統計標準偏差值（幾個(gè)sigma范圍內的抖動(dòng)值）來(lái)衡量的；而Dj則是用峰峰值來(lái)衡量的。當前大部分串行數據標準要求測量誤碼率為10e-12時(shí)的總體抖動(dòng)（Tj）大小，而通常直方圖+/-7 sigma以?xún)鹊臄祿颖緮挡拍苓_到10e+12。Tj就是衡量Dj與Rj的整體影響的抖動(dòng)術(shù)語(yǔ)。誤碼率為10e-12時(shí)的總體抖動(dòng)Tj=14Rj+Dj (Rj是指1sigma時(shí)的抖動(dòng)或者叫RMS抖動(dòng)；Dj是固有抖動(dòng)的峰峰值)
如果我們不用統計的方式來(lái)分析TIE抖動(dòng)，而是在一個(gè)很長(cháng)的時(shí)間軸上來(lái)看所有的TIE抖動(dòng)值的變化趨勢，即用如Lecroy示波器中的參數track的功能，我們也同樣能夠看出TIE抖動(dòng)值的變化趨勢：
當TIE的樣本積累很多時(shí)，我們也能夠觀(guān)察到TIE參數變化的趨勢，如下圖所示，
上圖藍色波形即為T(mén)IE抖動(dòng)參數的變化趨勢，呈現了周期性的變化，如果對其做FFT變換，會(huì )發(fā)現有周期性的頻譜成分，這類(lèi)抖動(dòng)就稱(chēng)為周期性抖動(dòng)（Pj），如下圖所示
周期性抖動(dòng)Pj為固有抖動(dòng)Dj的一部分，除此以外，還有和數據碼型相關(guān)的抖動(dòng)DDj（數據相關(guān)性抖動(dòng)）；占空比失真引起的DCD抖動(dòng)；因數據碼型中0電平和1電平切換頻率不同導致的碼間干擾抖動(dòng)ISI(因為不同頻率的信號經(jīng)過(guò)信道時(shí)衰減延遲是不一樣的);由于高次諧波以及串擾引起的抖動(dòng)，一般稱(chēng)為OBUJ（其它的固有不相干抖動(dòng)），這類(lèi)抖動(dòng)屬于固有抖動(dòng)成分，但是數值很小，很容易和隨機抖動(dòng)Rj混到一起，不易區分，Lecroy的NQ-SCALE方法能夠較好的區分出這類(lèi)抖動(dòng)。
綜上所述，串行數據的總體抖動(dòng)Tj的構成如下樹(shù)狀圖：
四、時(shí)鐘抖動(dòng)與數據抖動(dòng)的聯(lián)系
主要有如下幾點(diǎn)：
1、數據抖動(dòng)是以TIE抖動(dòng)作為基本單位展開(kāi)分析的，根據抖動(dòng)的構成成分，將一定誤碼率情況下（特定的樣本數量）的總體抖動(dòng)Tj分解為Dj，Rj，DDj，Pj等；因為數據信號不具備如時(shí)鐘信號一樣的周期重復性，因此數據信號沒(méi)有周期抖動(dòng)、相鄰周期間抖動(dòng)的指標。
2、高速串行數據標準一般要求在特定誤碼率情況下（如10e-12）的總體抖動(dòng)Tj，固有抖動(dòng)Dj，隨機抖動(dòng)Rj等指標不能過(guò)大；而時(shí)鐘信號一般是芯片手冊給出要求，因此分析時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)需要多大的數據量則需要引起注意，不一樣的樣本數據量，測得的抖動(dòng)結果也會(huì )偏差很大。如果時(shí)鐘手冊給出的指標非?？量?，則有可能是在1sigma范圍內的數據量進(jìn)行測量分析的（數據量小，所以抖動(dòng)也會(huì )小很多），參照圖4。
3、時(shí)鐘的相位抖動(dòng)、周期抖動(dòng)、相鄰周期間抖動(dòng)也同樣可以作為基本單位進(jìn)行統計分析，同樣也可以設定特定樣本數據時(shí)的Tj，Dj，Rj以及相關(guān)的分解（數據相關(guān)性抖動(dòng)ISI等不適用于時(shí)鐘抖動(dòng)，因為時(shí)鐘抖動(dòng)0電平和1電平的切換率是恒定的），以便分析抖動(dòng)的來(lái)源，但是如果用數據抖動(dòng)的分析軟件來(lái)分析時(shí)鐘抖動(dòng)的話(huà)一般只能分析相位抖動(dòng)，周期抖動(dòng)和相鄰周期間抖動(dòng)只能通過(guò)直方圖以及參數跟蹤的方法來(lái)分析。
4、時(shí)鐘芯片手冊或者其它芯片手冊中給出的時(shí)鐘抖動(dòng)指標通常是某一類(lèi)抖動(dòng)的峰峰值或者RMS值，也有要求總體抖動(dòng)Tj，Dj，Rj指標的，給出這樣的指標時(shí)我們一定得搞清楚這個(gè)指標是對應于多大的樣本數據量。
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