简谈数字电路设计中的抖动

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今天和大侠简单聊一聊数字电路设计中的抖动，话不多说，上货。

既然说到了抖动，那么什么是抖动？那首先我们就来了解一下什么是抖动。

一、抖动的几个重要概念

1、抖动的基本概

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。实际上，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 Wander反映的主要是时钟源随着时间、温度等的缓慢变化，影响的是时钟或定时信号的绝对精度。在通信或者信号传输中，由于收发双方都会采用一定的时钟架构来进行时钟的分配和同步，缓慢的时钟漂移很容易被跟踪上或补偿掉，因此wander对于数字电路传输的误码率影响不大，高速数字电路测量中关心的主要是高频的jitter。

2. 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。

3. 抖动的测试方法

由于信号边沿的时间偏差可能是由于各种因素造成的，有随机的噪声，还有确定性的干扰。所以对这个时间偏差通常是随机的，而是有一定的统计分布，在不同的应用场合这个测量的结果可能是用有效值（RMS）衡量，也可能使用峰峰值（peak-peak）衡量，更复杂的场合还会对这个时间偏差的各个成分进行分解和估计。因此抖动的精确测量需要大量的样本以及复杂的算法。

二、抖动的测量方法

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

如图为带抖动的50MHz的时钟信号进行周期抖动测量的结果，借助于相应的抖动分析软件，观察到信号周期随时间的变化曲线，以及信号周期的最大值、最小值、周期变化的峰峰值、周期变化的方差等。


2、周期到周期抖动（Cycle to Cycle jitter）
为了衡量时钟信号相邻周期的变化快慢，有时会用“周期到周期抖动”进行衡量，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。这个指标在分析锁相环性质的时候具有明显的意义

有些特殊的应用（比如针对DDR2/3的时钟信号）还定义了N-cycle jitter，即相邻N个时钟周期的抖动变化。下图是对同一个50MHz的时钟波形进行Cycle-Cycle抖动测量和统计的结果。  


3、时间间隔误差抖动（Time Interval Error）

所谓时间间隔误差，是指被测信号边沿相对于其参考时钟有效边沿的抖动。
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

下图是对同一个50MHz的时钟信号进行TIE抖动的分析和统计结果。  

三、结论

从前面举的例子可以看到，对于同一个信号，用不同的方式进行测量和衡量，得到的结果可能是不一样的。如图所示，对于同一个带抖动的时钟信号，对其进行周期抖动测量、周期到周期抖动测量以及时间间隔误差抖动测量，得到的结果可能是不一样的

因此，对于一个信号进行抖动测量之前需要先明确关注的抖动类型，否则测量结果的物理含义是不明确的。

对于更复杂的数字信号来说，除了关心其抖动的RMS值以及峰峰值以外，还会关心该抖动的不同组成成分，因为不同成分的抖动对于电路的影响是不一样的，相应的应对手段也不一样。比如很多高速总线都会对高速数字信号的随机抖动成分（Random Jitter）、周期性抖动（Periodic Jitter）、ISI抖动（Inter-Symbol Interference jitter）等进行进一步的分解和研究

抖动是数字信号，特别是高速数字信号非常重要的一个概念，越是高速的信号，其比特周期越短，对于抖动的要求就越严格。