什么是抖動和相位噪聲?如何區(qū)分晶振時鐘?
發(fā)布時間:2020-09-10 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】抖動(Jitter)反映的是數(shù)字信號偏離其理想位置的時間偏差。高頻數(shù)字信號的 bit 周期都非常短,一般在幾百 ps 甚至幾十 ps,很小的抖動都會造成信號采樣位置電平的變化,所以高頻數(shù)字信號對于抖動都有嚴(yán)格的要求。
什么是抖動和相位噪聲?
抖動(Jitter)反映的是數(shù)字信號偏離其理想位置的時間偏差。高頻數(shù)字信號的 bit 周期都非常短,一般在幾百 ps 甚至幾十 ps,很小的抖動都會造成信號采樣位置電平的變化,所以高頻數(shù)字信號對于抖動都有嚴(yán)格的要求。
實(shí)際信號的很復(fù)雜,可能既有隨機(jī)抖動成分(RJ),也有不同頻率的確定性抖動成分(DJ)。確定性抖動可能由于碼間干擾或一些周期性干擾引起,而隨機(jī)抖動很大一部分來源于信號上的噪聲。下圖反映的是一個帶噪聲的數(shù)字信號及其判決閾值。一般我們把數(shù)字信號超過閾值的狀態(tài)判決為“1”,把低于閾值的狀態(tài)判決為“0”,由于信號的上升沿不是無限陡的,所以垂直的幅度噪聲就會造成信號過閾值點(diǎn)時刻的左右變化,這就是由于噪聲造成信號抖動的原因。
要進(jìn)行信號抖動的分析,最常用的工具是寬帶示波器配合上響應(yīng)的抖動分析軟件。示波器里的抖動分析軟件可以方便地對抖動的大小和各種成分進(jìn)行分解,但是示波器由于噪聲和測量方法的限制,很難對亞 ps 級的抖動進(jìn)行精確測量。現(xiàn)在很多高速芯片對時鐘的抖動要求都在 1ps 以下甚至更低。這就需要借助于其它的測量方法比如相位噪聲(phase noise)的測量方法。
我們知道抖動是時間上的偏差,它也可以理解成時鐘相位的變化,這就是相位噪聲。對于時鐘信號,我們觀察其基波的頻譜分布。理想的時鐘信號其基波的頻譜應(yīng)該是一根很窄的譜線,但實(shí)際上由于相位噪聲的存在,其譜線是比較寬的一個包絡(luò),這個包絡(luò)越窄,說明相位噪聲(抖動)越小,信號越接近理想信號。下圖是一個真實(shí)時鐘信號的頻譜,信號的基波在 2.5GHz,我們觀察 2.5GHz 附近 10MHz 帶寬的頻譜。我們可以看到首先信號的頻譜不是一根很窄的譜線,其譜線有展寬(隨機(jī)噪聲的影響),其次上面疊加的還有一些特定頻率的干擾(確定性抖動的影響)。
為了更方便觀察低頻的干擾,在相位噪聲測量中通常會以信號的載波頻率為起點(diǎn),把橫坐標(biāo)用對數(shù)顯示,其橫坐標(biāo)反映的是離信號載波頻率的遠(yuǎn)近,縱坐標(biāo)反映的是相應(yīng)頻點(diǎn)的能量和信號載波能量的比值。這個比值越小,說明除了載波以外其它頻率成分的能量越小,信號越純凈。要進(jìn)行時鐘信號的相位噪聲精確測量使用的儀器是信號源分析儀,信號源分析內(nèi)部有特殊的電路,通過兩個獨(dú)立本振的多次相關(guān)處理可以把自身本振的相位噪聲壓得非常低,從而可以進(jìn)行精確的相位噪聲測量。
對于很多晶振產(chǎn)生的時鐘來說,其抖動中的主要成分是隨機(jī)抖動。如果我們把相位噪聲測試結(jié)果里不同頻率成分的相位噪聲能量進(jìn)行積分的話,我們就能夠得到隨機(jī)抖動。通過信號源分析儀對相位噪聲測量然后對一定帶寬內(nèi)的能量進(jìn)行積分,我們就可以得到精確的隨機(jī)抖動測量結(jié)果。信號源分析儀能測量到的最小抖動可以到 fs 級。
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