【導(dǎo)讀】示波器測(cè)量就是抖動(dòng)測(cè)量的最終詮釋。抖動(dòng)測(cè)量最為直觀的就是利用查看波形的變化趨勢(shì)。抖動(dòng)測(cè)量的結(jié)果是否準(zhǔn)確，主要在于變化復(fù)雜程度。本文主要介紹的時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲的測(cè)量方法。
時(shí)鐘的特性可以用頻率計(jì)測(cè)量頻率的穩(wěn)定度，用頻譜儀測(cè)量相噪，用示波器測(cè)量TIE抖動(dòng)、周期抖動(dòng)、cycle-cycle抖動(dòng)。但是時(shí)域測(cè)量方法和頻域測(cè)量方法的原理分別是什么？ TIE抖動(dòng)和相噪抖動(dòng)之間的關(guān)系到底是怎么推導(dǎo)的呢？
抖動(dòng)是衡量時(shí)鐘性能的重要指標(biāo)，抖動(dòng)一般定義為信號(hào)在某特定時(shí)刻相對(duì)于其理想位置的短期偏移。這個(gè)短期偏移在時(shí)域的表現(xiàn)形式為抖動(dòng)（下文的抖動(dòng)專指時(shí)域抖動(dòng)），在頻域的表現(xiàn)形式為相噪。本文主要探討下時(shí)鐘抖動(dòng)和相噪以及其測(cè)量方法，以及兩者之間的關(guān)系。
1 抖動(dòng)介紹
抖動(dòng)是對(duì)時(shí)域信號(hào)的測(cè)量結(jié)果，反映了信號(hào)邊沿相對(duì)其理想位置偏離了多少。抖動(dòng)有兩種主要成分：確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)是可以重復(fù)和預(yù)測(cè)的，其峰峰值是有界的，通常意義上的DJ是指其pk-pk值；隨機(jī)抖動(dòng)是不能預(yù)測(cè)的定時(shí)噪聲，分析時(shí)一般使用高斯分布來近似表征，理論上可以偏離中間值無限大，所以隨機(jī)抖動(dòng)是沒有峰到峰邊界的，通常意義上的RJ指標(biāo)是指其RMS值，可以根據(jù)其RMS值推算其在一定誤碼率時(shí)的值。目前最常用的分析方法是使用雙狄拉克模型。該模型假定概率密度函數(shù)兩側(cè)的尾部是服從高斯分布的，高斯分布很容易模擬，并且可以向下推算出較低的概率分布。總抖動(dòng)是RJ和DJ概率密度函數(shù)的卷積。
圖1
但是，業(yè)界對(duì)于高斯分布能否精確地描繪隨機(jī)抖動(dòng)直方圖的尾部還存在爭(zhēng)議。真正的隨機(jī)抖動(dòng)是遵守高斯分布的，但實(shí)際的測(cè)量中多個(gè)低幅度的DJ會(huì)卷積到一個(gè)分布函數(shù)，這導(dǎo)致測(cè)量出的概率密度分布的中心接近高斯分布，而尾部卻夾雜了一些DJ。所以，真正的RJ可能只占高斯模型的抖動(dòng)的一部分，測(cè)量中RJ可能被放大了，同時(shí)總抖動(dòng)也會(huì)被放大。
2 抖動(dòng)測(cè)量
時(shí)鐘抖動(dòng)通常有三種測(cè)量方法，對(duì)應(yīng)于TIE（Time Interval Error 時(shí)間間隔誤差）、period（周期抖動(dòng)）和Cycle-Cycle（相鄰周期抖動(dòng)）三種抖動(dòng)指標(biāo)。
TIE抖動(dòng)（時(shí)間間隔誤差），以被測(cè)時(shí)鐘沿與理想時(shí)鐘沿之間的時(shí)間差為樣本，即以圖中的TIEn為樣本，通過對(duì)很多個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表征時(shí)鐘沿與理想時(shí)鐘沿偏離值的變化、分布情況，如下圖所示：
圖2
Period Jitter（周期抖動(dòng)），以時(shí)鐘信號(hào)的周期做樣本，即以圖中的Pn做樣本，通過對(duì)很多個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表征時(shí)鐘信號(hào)周期Pn的變化、分布情況，對(duì)于保證數(shù)字系統(tǒng)中的建立保持時(shí)間規(guī)范很有意義。如下圖所示：
圖3
[page] Cycle-Cycle Jitter（Cycle-Cycle抖動(dòng)），以時(shí)鐘信號(hào)相鄰周期的差值做樣本，即以圖中的Cn做樣本，通過對(duì)很多個(gè)樣本（1K~10K）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表征時(shí)鐘信號(hào)相鄰周期變化值的變化、分布情況，一般用于需要限制頻率突變的場(chǎng)合。如下圖所示：
圖4
圖5
3 相噪介紹相位噪聲反映的是單載波信號(hào)的頻譜純度，如果沒有相位噪聲，信號(hào)的所有功率都應(yīng)集中在其振蕩頻率f0處（下圖左Carrier），這個(gè)理想信號(hào)用Asin（ωt）表示。由于存在相位噪聲（下圖左Noise），相當(dāng)于在理想信號(hào)上調(diào)制了一個(gè)Φ（t）相位信號(hào)，此時(shí)整個(gè)信號(hào)表示為Asin（ωt+Φ（t））。在頻譜上體現(xiàn)為一部分功率擴(kuò)展到相鄰的頻率中去，形成邊帶（下圖右）。相噪定義為單邊帶某一給定偏移頻率fn處1Hz帶寬內(nèi)的功率Pn與信號(hào)總功率Ps比值的對(duì)數(shù)，即 10lg（Pn/Ps），相噪以dBc/Hz@fn為單位來表示。這里dBc的含義是某頻點(diǎn)功率與信號(hào)總功率的比值（下圖右），對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘相位偏移與時(shí)鐘周期的比值。
圖6
[page] 4 相噪測(cè)量
相噪測(cè)量一般使用相噪儀進(jìn)行，由于技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在相噪儀不僅可以測(cè)量相噪，還可以分析電源等其它信號(hào)的噪聲，所以相噪儀也稱為信號(hào)分析儀。相噪儀的原理與頻譜儀類似，但是更加精密，并增加了一些特定的分析功能，因此使用頻譜儀也可以粗略地測(cè)試相噪。相噪儀測(cè)試相噪有多種測(cè)量方法，但使用最廣泛的還是頻譜分析法和鑒相法這兩種測(cè)量原理。
4.1 頻譜分析法
頻譜分析法是對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，先測(cè)量信號(hào)總功率Ps，再測(cè)量某一偏移頻率出的功率Pn，再經(jīng)過計(jì)算便可得到該被測(cè)時(shí)鐘的單邊帶相位噪聲。頻譜分析法是一種簡(jiǎn)單直接的相噪分析技術(shù)，適宜于測(cè)量漂移較小但相位噪聲相對(duì)較高的信號(hào)；但是頻譜分析法不能分辨出調(diào)幅噪聲和相位噪聲，測(cè)試波形不太完美的時(shí)鐘信號(hào)相噪時(shí)會(huì)存在較大誤差；另外由于頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍和最小分辨帶寬的限制，測(cè)量精度受限。
4.2 鑒相法
鑒相法采用外差混頻方式將被測(cè)時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)化至中頻，在中頻用一個(gè)鎖相環(huán)提取出被測(cè)時(shí)鐘信號(hào)的載波信號(hào)，再將該信號(hào)與被測(cè)信號(hào)正交鑒相，從而提取被測(cè)時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲Φ（t） ，處理后得到頻域相噪SΦ（f） ，進(jìn)一步積分可以得到L(f) ，L(f)對(duì)應(yīng)于RMS相噪。鑒相法的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍大，相噪電平采用低噪放大器提高靈敏度，并且可以分辨調(diào)幅噪聲和相位噪聲。
圖7
另外，鑒相法還可以進(jìn)一步增加互相關(guān)技術(shù)來增加靈敏度。互相關(guān)技術(shù)是將兩路鑒相法組合起來，對(duì)其輸出信號(hào)執(zhí)行互相關(guān)操作。待測(cè)時(shí)鐘的噪聲通過每路通道仍然是相關(guān)的，不受互相關(guān)影響；每路通道內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲是不相關(guān)的，被互相關(guān)操作抑制。引入互相關(guān)技術(shù)后無需特別精密的器件就可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量靈敏度。
圖8
5 抖動(dòng)與相噪分析及轉(zhuǎn)換
5.1 相噪轉(zhuǎn)化為抖動(dòng)的計(jì)算
相位噪聲到抖動(dòng)的轉(zhuǎn)化，可以有如下的公式推導(dǎo)。
頻率f1到f2的相噪頻譜積分可得到相噪Φ(t)的RMS值的平方(RMSΦ(t))2：
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5.2 相噪與抖動(dòng)測(cè)量值的比較
下面四幅圖分別是時(shí)域的TIE、Jc-c、Jperiod和頻域的相噪，可以看到四個(gè)測(cè)量值有很大的差異，原因可能有以下幾點(diǎn)：
● 相噪測(cè)試時(shí)設(shè)定了具體的積分帶寬，這個(gè)帶寬一般在幾十兆Hz以內(nèi)。而時(shí)域抖動(dòng)測(cè)試并沒有帶寬限制，其帶寬限制只取決于示波器儀器本身；
● 儀器在測(cè)量過程中引入噪聲，這里示波器的底噪大于相噪儀，引入的噪聲會(huì)更大些；
● 相噪儀只是觀察到每一個(gè)時(shí)刻的噪聲，示波器可以累積觀察一段時(shí)間的噪聲；
● 相噪測(cè)試時(shí)以輸入信號(hào)本身的頻率作為基頻，忽略了信號(hào)的頻偏；而示波器測(cè)量TIE時(shí)會(huì)以理想時(shí)鐘作為參考。
圖10
抖動(dòng)測(cè)量就像是盲人摸象，每種方法都有其局限性。工程師需要深入了解系統(tǒng)的抖動(dòng)的要求，以及各種抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)的原理和優(yōu)劣，根據(jù)需要選擇合適的抖動(dòng)測(cè)量評(píng)估方法。
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