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颤动成分及其发生原因剖析

抖动是数字系统的信号完整性测试的核心内容之一,是时钟和串行信号的最重要测量参数(注:并行总线的最重要测量参数是建立时间和保持时间)

颤动是数字体系的信号完整性测验的核心内容之一,是时钟和串行信号的最重要丈量参数(注:并行总线的最重要丈量参数是树立时刻和坚持时刻)。
一般这样界说颤动:“信号的某特守时刻相对于其抱负时刻方位上的短期违背为颤动”(参阅:Bell Communications Research,Inc(Bellcore),”Synchrous Optical Network(SONET) Transport Systems:Common Generic Criteria, TR-253-CORE”,Issue 2, Rev No.1, December 1997″.如图1所示。
其间快过10HZ的违背界说为颤动(Jitter),漫过10Hz的违背界说为漂移(Wander)。

图1. 时钟和数据颤动的界说
颤动和相位噪声和频率噪声有什么联系呢?


图2.颤动和相位噪声和频率噪声的联系
跟着信号速率的不断提高和对精度的越来越高要求,需求进行颤动成分的别离以更深化表征颤动特征和查找问题本源。一般按图3进行颤动成分的别离。

图3.颤动成别离离图
Total Jitter(TJ):整体颤动;
Random Jitter(RJ):随机颤动;
Deterministic Jitter(DJ):确认性颤动;
Data Dependent Jitter(DDJ):数据相关颤动;
Periodic Jitter(PJ):周期性颤动;
Inter-symbol Interference(ISI):码间搅扰
Duty Cycle Distortion(DCD):占空比失真;
Sub Rate Jitter(SRJ):子速率颤动。
下面别离评论每种颤动成分的特征和产生原因
1、随机颤动RJ
随机颤动是不能猜测的守时噪声,因为它没有能够辨认的形式。典型的随机噪声实例是在无线电接收机调谐到没有活动的载频时听到的声响。虽然在理论上随机进程具有恣意概率散布,但咱们假定随机颤动呈现高斯散布,以树立颤动模型。这种假定的原因之一是,在许多电路中,随机噪声的首要来历是热噪声(也称为Johnson 噪声或散粒噪声),而热噪声呈现高斯散布。另一个比较根底的原因是,依据中心极限定理,不论各个噪声源选用什么散布,许多不相关的噪声源的组成效应该挨近高斯散布。高斯散布也称为正态散布,但它的一个最重要的特色是:对高斯变量,它能够抵达的峰值是无穷大。虽然这种随机变量的大多数样本将会集合在中心值的周围,但在理论上,任何单一的样本,它能够违背中心值恣意大的量。所以,高斯散布都没有峰到峰鸿沟值,从这种散布中的样本数越多,所测得的峰到峰值将越大。所以,咱们用stdev或RMS(均方差)值来衡量随机颤动RJ。

2、确认性颤动DJ
确认颤动是能够重复的、能够猜测的守时颤动。正因如此,这个颤动的峰到峰值具有上下限,在数量相对较少的调查根底上,一般能够以高置信度调查或猜测其鸿沟。DDJ和PJ依据颤动特色和底子成因进一步细分了这类颤动。确认性颤动和随机颤动在计算图上能够用图4形象化表明。

图4.RJ和DJ在计算图上的形象化表明
3、周期性颤动PJ和子速率颤动SRJ
以周期办法重复的颤动称为周期性颤动。因为任何周期波形都能够分解成傅立叶次序的谐波相关的正
弦曲线,这类颤动有时称为正弦曲线颤动。一般来说,周期性颤动与数据流中任何守时重复的码型无
关。周期性颤动一般是由耦合到体系中的外部确认性的噪声源而引起的,如开关电源噪声或强的部分RF载波。时钟康复PLL不稳定也可能会导致周期性颤动。图5是计算机中常用的SSC(扩频时钟)测验成果,SSC是典型的周期性颤动。子速率颤动SRJ是PJ的不同频率成分,能够协助判别搅扰源的频率。

图5.SSC(扩频时钟)是典型的周期性颤动PJ
4、数据相关颤动DDJ
与数据流中的位序列相关的任何颤动都称为数据相关颤动DDJ。DDJ一般是由连接器,电缆,PCB传输线,背板等的缺乏的频响(阻抗不接连和损耗的归纳成果)引起的。缺乏带宽对数据序列激烈地履行低通滤波,因为滤波,波形没抵达彻底的高状况或低状况,除非有同极性的多个位接连呈现(注:轮番的1,0,1,0,1,0 属
于高频,因为每单位区间内,信号都产生电压跳转。接连的1或0,因为信号电压一向保持固定,所以归于低频)。图6显现了这一个波形笔直偏置后与自己相叠加后的波形。能够看到,跟着1,0,1,0,1,0,1 序列的下降跳转,比跟着1,0,1,0,1,1,1 序列的下降跳转,跨过门限的时刻较早。因为这种守时偏移是能够猜测的,它与跳转前的特定数据有关,因而它归于DDJ,也称为码间搅扰ISI。

图6.码间搅扰ISI的成因图示
5、占空比失真DCD
导致占空比失真DCD颤动的常见原因有两个:
1. 上升沿的转化速率与下降沿的转化速率不同。一般断定门限坐落50%起伏点,但波形的上升时刻慢,导致上升沿跨过门限的时刻比下降沿晚,成果,在眼图上穿插点不是50%的方位,呈现占空比失真颤动DCD。
2. 波形的断定门限高于或低于应该值。信号的眼图特征上,穿插点在50%,可是断定门限没有设在50%起伏
点上也呈现占空比失真颤动DCD,计算直方图看上去与原因1十分相似。

6、运用浴盆曲线和双狄拉克模型预估整体颤动TJ
高斯概率散布以及其峰到峰值在理论上没有边界,把这两项结合在一起考虑,会导致一个风趣的主意:对
包括某些高斯颤动的任何信号,假如累计样本的时刻满足长,眼图应该会彻底合上。那么咱们测验眼图和颤动测验多长时刻、多少样本数比较适宜?一般数字通讯的误码率BER要求为1e-12时(这是串行通讯链路常用
的误码率容限标准),而示波器要捕获这么多数据需求的时刻太长,怎么确保短时刻捕获却能得出较精确的丈量成果?这就要用到浴盆曲线和双狄拉克模型,图7的公式便是双狄拉克模型。

图7.双狄拉克模型和公式
运用示波器捕获满足的数据(一般不必太多,比方200K样点),能够简单别离出RJ和DJ,然后经过RJ和DJ卷积的双狄拉克模型,能够推算出误码率和眼打开度的对应曲线,然后能够推算出不同数据量或误码率对应的颤动值,如图8所示。浴盆曲线不是测验误码率的曲线,而是测验整体颤动的办法,这一点咱们一定要正确理解。

图8.经过浴盆曲线测验误码率为1e-12要求下的整体颤动TJ

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