时间抖动(jitter)的概念及其分析方法

随着通信系统中的时钟速率迈入GHz级，抖动这个在模拟设计中十分关键的因素，也开始在数字设计领域中日益得到人们的重视。在高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。不仅如此，它还会导致通信链路的误码率增大，甚至限制A/D转换器的动态范围。有资料表明在3GHz以上的系统中，时间抖动（jitter）会导致码间干扰（ISI），造成传输误码率上升。
在此趋势下，高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。本文向数字设计师们介绍了抖动的基本概念，分析了它对系统性能的影响，并给出了能够将相位抖动降至最低的常用电路技术。

本文介绍了时间抖动（jitter）的概念及其分析方法。在数字通信系统，特别是同步系统中，随着系统时钟频率的不断提高，时间抖动成为影响通信质量的关键因素。
关键字：时间抖动、jitter、相位噪声、测量

时间抖动的概念

在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号（以1MHz为例）的持续时间应该恰好是1us，每500ns有一个跳变沿。但不幸的是，这种信号并不存在。如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。这种不确定就是抖动。
抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。在绝大多数文献和规范中，时间抖动（jitter）被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差，所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走（wander），而将变化较快的成分定义为时间抖动（jitter）。

图1 时间抖动示意图

1．时间抖动的分类
抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动。
确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的，这种抖动通常幅度有限，具备特定的（而非随机的）产生原因，而且不能进行统计分析。
随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。例如，能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素，就可能造成载子流的随机变化。另外，半导体加工工艺的变化，例如掺杂密度不均，也可能造成抖动。
2．时间抖动的描述方法
可以通过许多基本测量指标确定抖动的特点，基本的抖动参数包括：
1)周期抖动（period jitter）
测量实时波形中每个时钟和数据的周期的宽度。这是最早最直接的一种测量抖动的方式。这一指标说明了时钟信号每个周期的变化。
2)周期间抖动（cycle-cycle jitter）
测量任意两个相邻时钟或数据的周期宽度的变动有多大，通过对周期抖动应用一阶差分运算，可以得到周期间抖动。这个指标在分析琐相环性质的时候具有明显的意义。
3)时间间隔误差（timer interval error，TIE）
测量时钟或数据的每个活动边沿与其理想位置有多大偏差，它使用参考时钟或时钟恢复提供理想的边沿。TIE在通信系统中特别重要，因为他说明了周期抖动在各个时期的累计效应。
3．时间抖动的频域表示——相位噪声
相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其时间抖动（jitter）在频率域中的显示。图2用一个振荡器信号来解释相位噪声。

如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。

图2 相位噪声示意图

时间抖动的模型
为了更好的对jitter进行描述，需要建立一套模型来分析不同情况下jitter的影响。根据产生jitter的原因不同，对jitter模型一般如下：

图8Jitter模型

1．随机抖动（RJ，Random Jitter）
随机抖动是时间上的噪音，并没有任何已知的模式。尽管在随机过程的理论中，随机抖动可能有各种概率分布，但是jitter模型中通常假定为高斯正态分布。原因有两个：第一，许多电路中，随机噪声的主要来源是热噪声，其具有高斯分布；第二，根据中心极限定律，许多独立不相关噪声源叠加后趋近于一个高斯分布。由于随机抖动满足高斯分布，因此它的峰值是无界的。这是随机抖动区别于确定性抖动的重要特征。
2．确定性抖动（DJ，Deterministic Jitter）
相对于随机抖动，确定性抖动（DJ）是可以重复和预测的时间抖动，因此，DJ的峰峰值是有界的，而这个边界的位置随着测量次数的增加可以逼近真实值。DJ又可以分成几种，每种有自己的特点和背后对应的物理机制。
1)数据依赖型抖动（DDJ，Data Dependent Jitter）
数据依赖型抖动是和数据每一位内容相关的抖动。通常产生DDJ的原因是数据流通过带宽明显受限的信道时，出现码间干扰（ISI）而引起的。DDJ通常具