抖动分类与测量

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1、抖动分类与测量李惠民力科公司华南区应用工程师在现在的协议一致性测试中，“抖动”似乎已经成为了一个绕不开的名词，它是评估信号质量的一个关键指标。然而，各个通信协议对抖动似乎有着不同的要求，到底抖动的各个分量有什么意义呢？它们又是如何测量得到准确的结果呢？在系统设计中又该如何改善抖动指标呢？希望看完本文之后您能够得到一些帮助。抖动的定义过去，时钟频率只有10MHz。电路板或者封装设计的主要挑战就是如何自双层板上布通所有的信号线以及如何在组装时不破坏封装，在那个时代，数字信号基本上不需要考虑“信号质量”的

2、；然而随着时钟频率的提高，信号周期和上升沿也已经普遍变短，这个时候，信号完整性就变得十分重要。特别的，当时钟频率超过1GHz时，由于时钟周期变短，“抖动”这个指标在信号质量也变得十分重要。抖动是指信号与理想时钟之间的偏差[1]。如下面图1和图2两个时序中，可以明显看出，图2中信号与理想时钟之间偏差相对较图1比更大，若两个信号时钟频率相同，我们就可以说图2中的抖动比图1中大。图1信号和理想时钟之间的偏差图2更“大”的抖动需要注意的是，抖动和频偏并不是不是相同的概念，一般讨论抖动是要在一段时间内实际信号

3、和理想时钟之间速率相同或者相差很小的情况。图3中，这段时间内，实际信号和理想时钟之间的频率偏差约为7%，一般来说我们讨论抖动的时候频偏不会超过5000ppm(即0.5%)，图3这种情况不再我们的讨论范围之内。图3“频偏”并不是我们所讨论的抖动另外，抖动的绝对值在有些情况下参考意义并不太大。假若是10MHz的时钟频率，每个周期为100ns，1ns的抖动似乎对信号没有太大的影响。然而当频率为500MHz时，1ns的抖动就很的能会影响信号信号质量，使得信号在传输过程在出现误码。所以我们在很多情况下会用UI

4、这个相对单位；1UI即为1个时钟周期所花费的时间。若信号的时钟周期为10MHz时，1UI对应为100ns。相应的还有mUI，1mUI即0.001UI。相对单位比绝对时间单位更能看出抖动对信号质量的影响。抖动的分类在说抖动分类之前，首先我想说一下源同步与时钟恢复技术。想必大家在学习和使用单片机的时候应该对同步通信和异步通信有比较深刻的认识；同步通信的典型代表就是SPI，特点就是同时传送时钟和数据；异步通信的经典代表是UART，只需要两根线就可以实现全双工。源同步和SPI类似，在通信的时候同时传输时钟和

5、数据，但是高速的时钟信号在传输过程中衰减很大，而且容易引起EMI，所以一般会对同步时钟进行分频，源同步的代表有HDMI，其时钟频率是信号速率的1/10。时钟恢复技术可以在串行数据中提取出时钟，然后用恢复出来的时钟对信号进行采样，克服异步通信中由于不同源带来的的频偏和抖动，时钟恢复的代表有USB，万兆以太网等。首先，我们需要明确的一点就是——抖动是时间的函数，确切的来说，抖动是和时钟周期相关的。在讨论抖动分类的时候，我们一般会从三个维度去讨论。 从关注抖动参数的类型，可以分成TIE(Timeinter

6、valerror)，Periodjitter和Cycletocyclejitter。这种分类是根据不同的关注点对同一信号的不同描述，如图所示，这三类抖动的计算公式如下，其中T是理想的时钟周期，Tn-1和Tn分别是第n-1和n个信号的周期，tn是信号前n个周期的总时间。不难看出，这三者之间有如下的关系：PeriodJitter是TIE的微分，Cycletocyclejitter是Periodjitter的微分；Periodjitter是Cyclejitter的积分，TIE是Periodjitter的积

7、分。图4 TIE、Periodjitter和Cycletocyclejitter 其中，TIE表示某时刻信号与理想时钟的偏移量，我们常说的抖动一般是指的TIE，，Periodjitter表示某时刻信号与理想时钟的瞬时频偏；CycletoCyclejitter表示信号频率的变化快慢程度，如果信号的Cycletocyclejitter很大的话，说明信号边沿位置变换很快，信号将变得难以追踪。从被测信号的类型，可以分为时钟抖动和和数据抖动。其实，抖动和我们日常生活中的运动一样，是是有一定的参照的，正如，我们

8、在说车速或者说步速是多少的时候，一般都默认是以地球为参照系；前面我们在提到抖动的时候，都是以理想时钟作为参照系。其实，在很多的情况下，我们是不需要关心“我们自己”所看到的抖动，而是需要关心“设备接收端”所看到的信号。使用同源时钟进行采样的信号，一方面对时钟的信号质量有要求，即需要测量时钟抖动，另一方面需要测量使用同源时钟做参考时钟时数据的信号质量，即数据抖动。使用时钟恢复技术的信号，一般只涉及到数据抖动的测试，但是没有了同源时钟作为参照系，我们应该如何测量“设备接收端