信號(hào)完整性分析基礎(chǔ)系列之二十四——關(guān)于抖動(dòng)(上)
時(shí)鐘抖動(dòng)和數(shù)據(jù)抖動(dòng) /水平線以上的抖動(dòng)和水平線以下的抖動(dòng)
當(dāng)我們?cè)诙x抖動(dòng)具有四個(gè)維度時(shí),特別強(qiáng)調(diào)被測(cè)信號(hào)的類型分為時(shí)鐘抖動(dòng)和數(shù)據(jù)抖動(dòng),這是否意味著兩種抖動(dòng)的測(cè)量方法是完全不一樣的呢? 其實(shí),我們可以將時(shí)鐘信號(hào)理解為一種特別的數(shù)據(jù)。所有用于數(shù)據(jù)抖動(dòng)的測(cè)量方法理論上都可以用于測(cè)量時(shí)鐘,只是因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)非常簡(jiǎn)單,是規(guī)則的010101…碼型,因此,對(duì)于時(shí)鐘抖動(dòng)通常是通過(guò)直接測(cè)量一定數(shù)量的樣本(樣本數(shù)量應(yīng)該是多少一般也沒(méi)有統(tǒng)一的定義,甚至在有的時(shí)鐘芯片手冊(cè)中也沒(méi)有說(shuō)明)的參數(shù)結(jié)果,統(tǒng)計(jì)得出參數(shù)變化大小的pk-pk值,即為峰峰值抖動(dòng)(pk-pk jitter)。 峰峰值抖動(dòng)隨著測(cè)量時(shí)間的增加,測(cè)量結(jié)果會(huì)變大。峰峰值抖動(dòng)的測(cè)量結(jié)果不具備重復(fù)性,因?yàn)殡S機(jī)抖動(dòng)理論上是無(wú)限發(fā)散的。有效值抖動(dòng)(rms jitter)表示參數(shù)變化大小的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。 我們將這種定量方法直接測(cè)量出來(lái)的抖動(dòng)形象地稱為“水平線以上的抖動(dòng)”,因?yàn)檫@種抖動(dòng)結(jié)果是不需要借助數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)和預(yù)測(cè)的。 這種方法的抖動(dòng)也叫“定時(shí)抖動(dòng)(Timing jitter)”。 時(shí)鐘抖動(dòng)關(guān)注的信號(hào)參數(shù)類型主要有周期(period),TIE(Time Interval Error)和相鄰周期間(Cycle-Cycle Period),對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)的單獨(dú)研究,通常三種參數(shù)的抖動(dòng)都需要測(cè)量。具體這三種抖動(dòng)參數(shù)的介紹,請(qǐng)參考胡為東的文章《抖動(dòng)的分類》。
數(shù)據(jù)抖動(dòng)關(guān)注的是一定誤碼率下的TIE抖動(dòng),現(xiàn)在的串行數(shù)據(jù)測(cè)量領(lǐng)域通常默認(rèn)的都是10e-12誤碼率,也就是說(shuō)需要測(cè)量10e+12樣本,這需要示波器測(cè)量幾個(gè)小時(shí)甚至幾天的時(shí)間,即使象力科的第四代示波器那么快的數(shù)據(jù)處理能力也無(wú)法“硬”測(cè)量出10e+12樣本的參數(shù)來(lái)作為測(cè)量結(jié)果,因此,就需要根據(jù)某種數(shù)學(xué)模型來(lái)根據(jù)當(dāng)前一定數(shù)量的樣本數(shù)測(cè)量的結(jié)果來(lái)“預(yù)測(cè)”10e+12的樣本下的抖動(dòng)結(jié)果,這種基于數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的方法測(cè)量的抖動(dòng)叫“水平線以下的抖動(dòng)”。所謂抖動(dòng)的風(fēng)云變幻即在于一直在爭(zhēng)論使用什么樣的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)抖動(dòng)是最準(zhǔn)確的。很多抖動(dòng)相關(guān)的文章就是在用一連串的數(shù)學(xué)公式來(lái)說(shuō)明作者發(fā)現(xiàn)的一種新模型是更準(zhǔn)確的,看得您云里來(lái)霧里去的。
認(rèn)識(shí)TIE抖動(dòng)
為什么TIE抖動(dòng)是作為測(cè)量數(shù)據(jù)抖動(dòng)Tj的默認(rèn)參數(shù)呢? 我想里引用胡為東文章《串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)抖動(dòng)基礎(chǔ)》中的介紹可以幫助我們理解TIE的重要性:
“通信系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)一段介質(zhì)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。發(fā)送端TX發(fā)出不同編碼形式的高速串行數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)一段鏈路傳輸后到達(dá)接收端RX,串行數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到各種各樣的干擾,引起數(shù)據(jù)的抖動(dòng),串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)工作的目的就是要盡可能的減少這些干擾的影響使得接收端能準(zhǔn)確無(wú)誤的恢復(fù)出發(fā)送端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。由于接收端(一般是由D觸發(fā)器構(gòu)成)需要使用時(shí)鐘采樣來(lái)完成同步接收數(shù)據(jù),因此時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)之間的同步關(guān)系是非常重要的,即必須要滿足一定的建立時(shí)間和保持時(shí)間。因此串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化最根本上是為了滿足時(shí)鐘與數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系,以便接收端能正確的接收到信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)的電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)后,時(shí)鐘邊沿與數(shù)據(jù)邊沿需要一定的建立時(shí)間來(lái)鎖存數(shù)據(jù);同時(shí),數(shù)據(jù)信號(hào)的電平需要一定的保持時(shí)間讓時(shí)鐘能穩(wěn)定的鎖存數(shù)據(jù)。為了讓建立時(shí)間和保持時(shí)間最大化,時(shí)鐘最好能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)比特位的中央。但是由于數(shù)據(jù)或者時(shí)鐘存在抖動(dòng),抖動(dòng)較大時(shí),無(wú)法滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求,D觸發(fā)器可能輸出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù),產(chǎn)生誤碼。特別是在高速數(shù)字電路中,速率的增加導(dǎo)致建立時(shí)間和保持時(shí)間的余量越來(lái)越小,由于抖動(dòng)產(chǎn)生誤碼的概率越來(lái)越高,所以,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的抖動(dòng)測(cè)試非常重要。
研究串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)的抖動(dòng)主要是研究時(shí)鐘與串行數(shù)據(jù)的相對(duì)抖動(dòng),而不是單純的指時(shí)鐘抖動(dòng)或者數(shù)據(jù)抖動(dòng)。也就是說(shuō)即使時(shí)鐘有很大的抖動(dòng),但是只要數(shù)據(jù)也存在同樣大的抖動(dòng),則兩者之間的相對(duì)抖動(dòng)仍舊很小,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的建立時(shí)間和保持時(shí)間也仍舊能夠得到保證。”
如何將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)呢? TIE(Time Interval Error)! TIE為作為抖動(dòng)中最重要的一個(gè)參數(shù),我們需要對(duì)它有深刻認(rèn)識(shí)。 TIE定義為被測(cè)信號(hào)邊沿與“參考時(shí)鐘”邊沿之間的時(shí)間間隔。具體計(jì)算中是以和參考電平的交叉點(diǎn)的時(shí)刻來(lái)計(jì)算的,如圖3所示。TIE是在信號(hào)和參考時(shí)鐘的每一個(gè)邊沿都進(jìn)行測(cè)量。
圖3 TIE的定義
產(chǎn)生“參考時(shí)鐘”(也就是前面抖動(dòng)定義中提到的“理想位置”)有幾種方法,比較常用的方法是從被測(cè)信號(hào)中通過(guò)軟件PLL進(jìn)行恢復(fù)。有時(shí)侯是直接定義一個(gè)理想的參考時(shí)鐘,或者是在外部引入一個(gè)硬件時(shí)鐘作為參考。 PLL的特性是準(zhǔn)確測(cè)量抖動(dòng)的關(guān)鍵所在,因?yàn)楫a(chǎn)生的參考時(shí)鐘的誤差將直接影響到TIE的測(cè)量結(jié)果,并進(jìn)而影響到最終的抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果。關(guān)于PLL的具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參考我們信號(hào)完整分析基礎(chǔ)系列之三《串行數(shù)據(jù)測(cè)試中的CDR》
峰峰值抖動(dòng)和總體抖動(dòng)
峰峰值抖動(dòng)(pk-pk jitter)是水平線以上的抖動(dòng),是直接測(cè)量出來(lái)的。總體抖動(dòng)(Tj)是水平線以下的抖動(dòng),是通過(guò)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)出來(lái)的。很多時(shí)候當(dāng)您說(shuō)要測(cè)量Tj時(shí),我就知道您具體要測(cè)量什么了,因?yàn)檫@里面有幾個(gè)維度是業(yè)界的默認(rèn)設(shè)置:Tj通常是指測(cè)量10的12次方樣本下的數(shù)據(jù)抖動(dòng)的TIE抖動(dòng)的峰峰值抖動(dòng)(pk-pk jitter)。前面已述,一般都默認(rèn)了Tj是基于10e-12的誤碼率的,默認(rèn)關(guān)注的抖動(dòng)參數(shù)是TIE。
抖動(dòng)和眼圖的關(guān)系
眼圖在一定程度上反應(yīng)了抖動(dòng)的大小,眼圖越“干凈”,眼圖展開程度越大,說(shuō)明抖動(dòng)值越小。眼圖的交叉位置在水平軸的區(qū)間越小,抖動(dòng)越小。 在光模塊行業(yè),過(guò)去常通過(guò)眼圖交叉點(diǎn)位置形成的余輝直方圖來(lái)直接測(cè)量抖動(dòng),余輝直方圖的最左到最右邊的大小范圍即為峰峰值抖動(dòng),如圖4所示。在HDMI測(cè)量規(guī)范中對(duì)抖動(dòng)的定義中也是采用這種方法。按前面所述,這是一種水平線以上的抖動(dòng)。 交叉點(diǎn)的余輝直方圖呈現(xiàn)高斯分布,說(shuō)明抖動(dòng)的行為主要表現(xiàn)為隨機(jī)抖動(dòng),反之,如果余輝直方圖表現(xiàn)為雙峰分布,說(shuō)明有明顯的固有抖動(dòng)。
圖4 抖動(dòng)和眼圖的關(guān)系
評(píng)論