關(guān)于晶體振蕩器抖動(dòng)分類(lèi)和抖動(dòng)測(cè)量入門(mén)知識(shí)

1.簡(jiǎn)介

隨著時(shí)鐘速度和通信通道的運(yùn)行頻率越來(lái)越高,以前幾乎不需要考慮有源晶振,石英時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲,而現(xiàn)在市場(chǎng)應(yīng)用需要,因此我們要增加對(duì)這些知識(shí)的了解.關(guān)于晶體振蕩器抖動(dòng)和抖動(dòng)測(cè)量以及鎖相環(huán)的入門(mén)知識(shí),概述了抖動(dòng),為進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量提供了實(shí)際幫助,并且研究鎖相環(huán)（PLL）在此字段中的作用.

2.抖動(dòng)類(lèi)別

首先定義幾個(gè)抖動(dòng)類(lèi)別,然后討論不同類(lèi)別的抖動(dòng)方式和原因.抖動(dòng)分為兩大類(lèi)：隨機(jī)抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)（請(qǐng)參閱圖1）.

圖1.抖動(dòng)類(lèi)別

隨機(jī)抖動(dòng)是寬帶隨機(jī)高斯過(guò)程,有時(shí)稱(chēng)為固有噪聲,因?yàn)樗偸谴嬖?/span>.在文中后面顯示的各種相位噪聲圖中,曲線的底部表示本底噪聲,表示隨機(jī)抖動(dòng).雖然隨機(jī)抖動(dòng)經(jīng)常發(fā)生被稱(chēng)為背景或熱噪聲,它很容易成為晶振整體抖動(dòng)的最重要因素.因?yàn)殡S機(jī)抖動(dòng)建模為高斯分布,嚴(yán)格來(lái)說(shuō),其瞬時(shí)噪聲值為數(shù)學(xué)上無(wú)界.查看圖2中的高斯曲線,兩條尾巴遠(yuǎn)離曲線的中心漸近地接近（但從未完全達(dá)到）零.盡管某些值的概率是很小,不為零,因此,高斯噪聲被認(rèn)為是無(wú)界的.

圖2.高斯分布

確定性抖動(dòng)不是固有的或隨機(jī)的,并且有特定的原因,盡管可能很難確定具體原因.它通常是周期性且窄帶的.例如,確定性噪聲可能是由于由于開(kāi)關(guān)電源或同時(shí)開(kāi)關(guān)電源引起的周期性干擾信號(hào)而產(chǎn)生的串?dāng)_IC上的高速輸出（例如）.

確定性噪聲可以進(jìn)一步細(xì)分為周期性抖動(dòng)和與數(shù)據(jù)相關(guān)的抖動(dòng).一個(gè)例子來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的干擾噪聲是周期性的,因?yàn)樵撛肼晫⒕哂邢嗤念l率作為開(kāi)關(guān)電源.相反,準(zhǔn)周期的,與數(shù)據(jù)相關(guān)的抖動(dòng)的一個(gè)例子是符號(hào)間由等時(shí)8B/10B編碼的串行數(shù)據(jù)流（例如以太網(wǎng)PCI Express）引起的干擾（ISI）.這樣串行數(shù)據(jù)編碼涉及由于串行位模式而動(dòng)態(tài)變化的占空比和不規(guī)則的時(shí)鐘沿,兩者都會(huì)造成整體抖動(dòng).鑒于石英晶體振蕩器信號(hào)不表現(xiàn)出任何與數(shù)據(jù)相關(guān)的抖動(dòng)（本入門(mén)僅與時(shí)鐘信號(hào)有關(guān)）,在本文中將不再贅述.

抖動(dòng)也可以分類(lèi)為相關(guān)或不相關(guān).在查詢相關(guān)性時(shí),問(wèn)“與什么相關(guān)？”是兩個(gè)事件或分布之間的相關(guān)性.周期性抖動(dòng)始終與（或由某物引起）.非周期性抖動(dòng)的一個(gè)例子是串行數(shù)據(jù)線干擾時(shí)鐘時(shí)信號(hào).干擾與串行數(shù)據(jù)線相關(guān),但是串行數(shù)據(jù)線可以是周期性的,也可以是周期性的非周期性的.串行數(shù)據(jù)傳輸很可能同時(shí)具有周期性和非周期性的成分.

兩件事如果它們?cè)诮y(tǒng)計(jì)上不相關(guān),則它們是不相關(guān)的.統(tǒng)計(jì)上不相關(guān)的抖動(dòng)與可識(shí)別的抖動(dòng)無(wú)關(guān)原因或影響.隨機(jī)抖動(dòng)始終是不相關(guān)的.但是,不相關(guān)的抖動(dòng)并不總是隨機(jī)的,可能會(huì)有兩個(gè)抖動(dòng)信號(hào),并且兩個(gè)周期抖動(dòng)都是不相關(guān)的.在這種情況下,這兩個(gè)不相關(guān)的抖動(dòng)源不會(huì)相互影響.關(guān)鍵是相關(guān)抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)都有原因.確定原因后,有時(shí)可以采取補(bǔ)救措施來(lái)減少整體抖動(dòng)的一部分.

3.抖動(dòng)測(cè)量的類(lèi)型

通常使用不同類(lèi)型的抖動(dòng)測(cè)量,因此使用以下抖動(dòng)測(cè)量很重要：最適合手頭的特定應(yīng)用.

如圖3所示,峰值周期間抖動(dòng)是相鄰連續(xù)時(shí)鐘之間的最大差值在固定數(shù)量的周期（通常為1k或10k）上測(cè)量的周期.每當(dāng)出現(xiàn)周期抖動(dòng)時(shí),都會(huì)使用需要限制石英晶振頻率突然跳躍的大小.術(shù)語(yǔ)峰峰值定義為差異在測(cè)量期間采樣的最小周期值和最大周期值之間.例如,峰峰值驅(qū)動(dòng)PLL時(shí),抖動(dòng)非常有用.在這種情況下,可能希望限制瞬時(shí)更改的大小在頻率上確保下游PLL保持鎖定.

圖3.逐周期抖動(dòng)

如圖4所示,峰峰值周期抖動(dòng)是最大時(shí)鐘周期與最小時(shí)鐘周期之間的差觀察窗口內(nèi)所有單個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)鐘周期（通常為1ku或10ku周期）.這是一個(gè)非常用于保證數(shù)字系統(tǒng)中觸發(fā)器的建立和保持時(shí)間的有用規(guī)范.

圖4.周期抖動(dòng)

如圖5所示,實(shí)際的時(shí)間間隔誤差（TIE）抖動(dòng)（也稱(chēng)為累積抖動(dòng)或相位抖動(dòng)）在所有時(shí)鐘周期內(nèi)偏離理想時(shí)鐘周期.它包括所有抖動(dòng)調(diào)制頻率上的抖動(dòng),并且通常用于廣域網(wǎng)定時(shí)應(yīng)用中,例如SONET,同步以太網(wǎng)（SyncE）和光傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN）.

圖5.TIE抖動(dòng)

直觀地看出,逐周期抖動(dòng)的頻率抖動(dòng)含量很高,因?yàn)橛绊懡o定時(shí)間的時(shí)間范圍時(shí)鐘周期的延長(zhǎng)不得超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期.同樣,似乎周期抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生比TIE（或累積）抖動(dòng)的高頻成分更多.這可以在圖6中看到,該圖顯示了純均勻,隨機(jī),白噪聲抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的三種抖動(dòng)測(cè)量的結(jié)果.可以看出,TIE抖動(dòng)在所有頻率上都是相同的（白噪聲的性質(zhì)）,而周期抖動(dòng)和周期抖動(dòng)顯示出不同的程度,即具有更高的高通含量.

圖6.逐周期,周期和TIE抖動(dòng)的頻率含量

對(duì)于所有類(lèi)型的抖動(dòng),可以采用不同的統(tǒng)計(jì)信息.也就是說(shuō),均方根（RMS）,峰峰值和其他盡管周期值,周期值和TIE抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)值存在,但某些值的使用更為普遍.每當(dāng)使用峰峰統(tǒng)計(jì)時(shí),需要采集的樣本數(shù)量必須足夠大以確保對(duì)測(cè)量的信心.通常,此類(lèi)樣本大小為1,000至10,000.

通常希望將RMS抖動(dòng)值轉(zhuǎn)換為峰峰值,反之亦然.常用方法是使用波峰因數(shù)（假設(shè)高斯噪聲模型）.容許的誤碼率（BER）值為給定的或假設(shè)的,結(jié)果波峰因數(shù)用于在兩者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換.例如,BER為10-12時(shí),RMS波峰因數(shù)為14.因此,抖動(dòng)為1psRMS的時(shí)鐘信號(hào)將出現(xiàn)峰峰值抖動(dòng)值為14ps.

4.徘徊

根據(jù)定義,石英貼片晶振漂移是指在載波偏移10Hz之內(nèi)的抖動(dòng).如果抖動(dòng)相對(duì)于載波小于10Hz,它被稱(chēng)為流浪.如果它比載波偏離10Hz以上,則稱(chēng)為抖動(dòng).稍后將看到,它花費(fèi)的時(shí)間很短帶寬PLL以衰減漂移.在大多數(shù)系統(tǒng)中,漂移不是問(wèn)題,因?yàn)橄到y(tǒng)PLL可以輕松實(shí)現(xiàn)跟蹤低頻游蕩,使他們能夠一起游蕩.之間的頻率差異段通常不重要,因?yàn)樗鼈兊南冗M(jìn)先出（FIFO）緩沖區(qū)可以吸收瞬時(shí)差異.由于頻率差非常低,因此FIFO不必很深.

但是,漂移會(huì)在某些系統(tǒng)上積累,最終漂移會(huì)變得足夠大,以至于引起問(wèn)題.圖7顯示了兩個(gè)不同的系統(tǒng).第一個(gè)是典型的SONET應(yīng)用程序,它實(shí)現(xiàn)了采用非常低的環(huán)路BW PLL的集中式時(shí)序,避免了漂移累積.第二個(gè)例子是允許漂移累積的同步以太網(wǎng)（SyncE）線路定時(shí)應(yīng)用程序.漂移和抖動(dòng)可以在級(jí)聯(lián)PLL系統(tǒng)中累積.

圖7.外部定時(shí)時(shí)鐘分配

5.時(shí)域與頻域測(cè)量抖動(dòng)通常是時(shí)域項(xiàng),而相位噪聲通常是頻域項(xiàng).但是,這很常見(jiàn)因?yàn)檫@些術(shù)語(yǔ)會(huì)被寬松地使用,因此有時(shí)可以互換使用.從理論上講完美的測(cè)量設(shè)備,如果要將載波的相位噪聲積分到無(wú)窮大的偏移,相位噪聲和抖動(dòng)將具有相同的數(shù)值.但是,經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試和實(shí)際測(cè)試設(shè)備,這是根本不可能的,并且兩次測(cè)量之間始終存在差異.在盡管如此,重要的是要記住,時(shí)域和頻域方法的測(cè)量結(jié)果相同現(xiàn)象,即使確切結(jié)果取決于測(cè)量過(guò)程和設(shè)備的細(xì)節(jié)用過(guò)的.

大多數(shù)用于測(cè)量石英晶體振蕩器抖動(dòng)的現(xiàn)代設(shè)備都屬于兩大類(lèi)之一：時(shí)域和頻率域.時(shí)域設(shè)備通常以高速數(shù)字示波器的形式出現(xiàn).單次采樣帶寬.頻域設(shè)備通常以頻譜分析儀的形式出現(xiàn),具有相位噪聲測(cè)量功能的頻譜分析儀或相位噪聲分析儀.這兩個(gè)中的每個(gè)類(lèi)別的設(shè)備有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn). 讓我們仔細(xì)看看主要區(qū)別在這兩種測(cè)量抖動(dòng)的方法之間.

時(shí)域設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接測(cè)量峰峰值,周期到周期,周期和領(lǐng)帶抖動(dòng).這種測(cè)量方法可以測(cè)量非常低頻的時(shí)鐘（或載波）的抖動(dòng)信號(hào).通過(guò)使用FFT和數(shù)字濾波器等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,可以集成特定頻帶上的相位噪聲值,以產(chǎn)生RMS相位抖動(dòng)值.只有時(shí)域設(shè)備可以測(cè)量所有抖動(dòng)頻率分量.另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是時(shí)域設(shè)備是在測(cè)量與數(shù)據(jù)有關(guān)的抖動(dòng)方面要好得多,這對(duì)于使用以下功能的高速串行鏈路非常有用串行器/解串器（SERDES）技術(shù).

頻域設(shè)備無(wú)法直接測(cè)量峰峰值,周期間或周期抖動(dòng),因?yàn)楸緳C(jī)功能是測(cè)量給定頻段中信號(hào)的RMS功率.頻域設(shè)備在測(cè)量與數(shù)據(jù)相關(guān)的抖動(dòng)方面也很尷尬.但是,最好的頻域儀器具有與最佳時(shí)域儀器相比,本底噪聲更低.這一事實(shí)使頻域儀器成為第一個(gè)沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)的超低相位噪聲時(shí)鐘信號(hào)測(cè)量的理想選擇.