大家好，又到了每日學(xué)習(xí)的時(shí)候了。今天我們來聊一聊數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的抖動。

既然說到了抖動，那么什么是抖動？那首先我們就來了解一下什么是抖動。

隨著通信系統(tǒng)中的時(shí)鐘速率邁入GHz級，抖動在數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域中日益得到人們的重視。在高速系統(tǒng)中，時(shí)鐘或振蕩器波形的時(shí)序誤差會限制一個(gè)數(shù)字I/O接口的最大速率。不僅如此，它還會導(dǎo)致通信鏈路的誤碼率增大，甚至限制A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍。在此趨勢下，高速數(shù)字設(shè)備的設(shè)計(jì)師們也開始更多地關(guān)注時(shí)序因素。抖動反映的是兩個(gè)時(shí)鐘周期之間存在的差值，這個(gè)誤差是在時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的，和晶振或者PLL內(nèi)部電路有關(guān)。除此之外，還有一種由于周期內(nèi)信號的占空比發(fā)生變化而引起的抖動，稱之為半周期抖動?？偟膩碚f，jitter可以認(rèn)為在時(shí)鐘信號本身在傳輸過程中的一些偶然和不定的變化之總和。

一、抖動的幾個(gè)重要概念

1. 抖動的基本概念

在理想情況下，一個(gè)頻率固定的完美的脈沖信號（以1MHz為例）的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該恰好是1us，每500ns有一個(gè)跳變沿。但不幸的是，這種信號并不存在。實(shí)際上，信號周期的長度總會有一定變化，從而導(dǎo)致下一個(gè)沿的到來時(shí)間不確定。這種不確定就是抖動。

抖動是對信號時(shí)域變化的測量結(jié)果，它從本質(zhì)上描述了信號周期距離其理想值偏離了多少。在絕大多數(shù)文獻(xiàn)和規(guī)范中，時(shí)間抖動（jitter）被定義為高速串行信號邊沿到來時(shí)刻與理想時(shí)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(shí)間游走（wander），而將變化較快的成分定義為時(shí)間抖動（jitter Wander反映的主要是時(shí)鐘源隨著時(shí)間、溫度等的緩慢變化，影響的是時(shí)鐘或定時(shí)信號的絕對精度。在通信或者信號傳輸中，由于收發(fā)雙方都會采用一定的時(shí)鐘架構(gòu)來進(jìn)行時(shí)鐘的分配和同步，緩慢的時(shí)鐘漂移很容易被跟蹤上或補(bǔ)償?shù)?，因此wander對于數(shù)字電路傳輸?shù)恼`碼率影響不大，高速數(shù)字電路測量中關(guān)心的主要是高頻的jitter。

2. 抖動的分類

抖動有兩種主要類型：確定性抖動和隨機(jī)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(jī)的）產(chǎn)生原因，而且不能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。隨機(jī)抖動是指由較難預(yù)測的因素導(dǎo)致的時(shí)序變化。例如，能夠影響半導(dǎo)體晶體材料遷移率的溫度因素，就可能造成載子流的隨機(jī)變化。另外，半導(dǎo)體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動。

3. 抖動的測試方法

由于信號邊沿的時(shí)間偏差可能是由于各種因素造成的，有隨機(jī)的噪聲，還有確定性的干擾。所以對這個(gè)時(shí)間偏差通常是隨機(jī)的，而是有一定的統(tǒng)計(jì)分布，在不同的應(yīng)用場合這個(gè)測量的結(jié)果可能是用有效值（RMS）衡量，也可能使用峰峰值（peak-peak）衡量，更復(fù)雜的場合還會對這個(gè)時(shí)間偏差的各個(gè)成分進(jìn)行分解和估計(jì)。因此抖動的精確測量需要大量的樣本以及復(fù)雜的算法。

二、抖動的測量方法

可以通過許多基本測量指標(biāo)確定抖動的特點(diǎn)，基本的抖動參數(shù)包括：

1. 周期抖動（Period jitter）

測量實(shí)時(shí)波形中每個(gè)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)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(biāo)說明了時(shí)鐘信號每個(gè)周期的變化。

如圖為帶抖動的50MHz的時(shí)鐘信號進(jìn)行周期抖動測量的結(jié)果，借助于相應(yīng)的抖動分析軟件，觀察到信號周期隨時(shí)間的變化曲線，以及信號周期的最大值、最小值、周期變化的峰峰值、周期變化的方差等。

2. 周期到周期抖動（Cycle to Cycle jitter）

為了衡量時(shí)鐘信號相鄰周期的變化快慢，有時(shí)會用“周期到周期抖動”進(jìn)行衡量，測量任意兩個(gè)相鄰時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的周期寬度的變動有多大，通過對周期抖動應(yīng)用一階差分運(yùn)算，可以得到周期間抖動。這個(gè)指標(biāo)在分析瑣相環(huán)性質(zhì)的時(shí)候具有明顯的意義。

有些特殊的應(yīng)用（比如針對DDR2/3的時(shí)鐘信號）還定義了N-cycle jitter，即相鄰N個(gè)時(shí)鐘周期的抖動變化。下圖是對同一個(gè)50MHz的時(shí)鐘波形進(jìn)行Cycle-Cycle抖動測量和統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。

3. 時(shí)間間隔誤差抖動（Time Interval Error）

所謂時(shí)間間隔誤差，是指被測信號邊沿相對于其參考時(shí)鐘有效邊沿的抖動。

測量時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的每個(gè)活動邊沿與其理想位置有多大偏差，它使用參考時(shí)鐘或時(shí)鐘恢復(fù)提供理想的邊沿。TIE在通信系統(tǒng)中特別重要，因?yàn)樗f明了周期抖動在各個(gè)時(shí)期的累計(jì)效應(yīng)。

下圖是對同一個(gè)50MHz的時(shí)鐘信號進(jìn)行TIE抖動的分析和統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

三、結(jié)論

從前面舉的例子可以看到，對于同一個(gè)信號，用不同的方式進(jìn)行測量和衡量，得到的結(jié)果可能是不一樣的。如圖所示，對于同一個(gè)帶抖動的時(shí)鐘信號，對其進(jìn)行周期抖動測量、周期到周期抖動測量以及時(shí)間間隔誤差抖動測量，得到的結(jié)果可能是不一樣的。

因此，對于一個(gè)信號進(jìn)行抖動測量之前需要先明確關(guān)注的抖動類型，否則測量結(jié)果的物理含義是不明確的。

對于更復(fù)雜的數(shù)字信號來說，除了關(guān)心其抖動的RMS值以及峰峰值以外，還會關(guān)心該抖動的不同組成成分，因?yàn)椴煌煞值亩秳訉τ陔娐返挠绊懯遣灰粯拥?，相?yīng)的應(yīng)對手段也不一樣。比如很多高速總線都會對高速數(shù)字信號的隨機(jī)抖動成分（Random Jitter）、周期性抖動（Periodic Jitter）、ISI抖動（Inter-Symbol Interference jitter）等進(jìn)行進(jìn)一步的分解和研究。

抖動是數(shù)字信號，特別是高速數(shù)字信號非常重要的一個(gè)概念，越是高速的信號，其比特周期越短，對于抖動的要求就越嚴(yán)格。