關于晶體振蕩器抖動分類和抖動測量入門知識

1.簡介

隨著時鐘速度和通信通道的運行頻率越來越高,以前幾乎不需要考慮有源晶振,石英時鐘抖動和相位噪聲,而現在市場應用需要,因此我們要增加對這些知識的了解.關于晶體振蕩器抖動和抖動測量以及鎖相環的入門知識,概述了抖動,為進行抖動測量提供了實際幫助,并且研究鎖相環（PLL）在此字段中的作用.

2.抖動類別

首先定義幾個抖動類別,然后討論不同類別的抖動方式和原因.抖動分為兩大類：隨機抖動和確定性抖動（請參閱圖1）.

圖1.抖動類別

隨機抖動是寬帶隨機高斯過程,有時稱為固有噪聲,因為它總是存在.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,表示隨機抖動.雖然隨機抖動經常發生被稱為背景或熱噪聲,它很容易成為晶振整體抖動的最重要因素.因為隨機抖動建模為高斯分布,嚴格來說,其瞬時噪聲值為數學上無界.查看圖2中的高斯曲線,兩條尾巴遠離曲線的中心漸近地接近（但從未完全達到）零.盡管某些值的概率是很小,不為零,因此,高斯噪聲被認為是無界的.

圖2.高斯分布

確定性抖動不是固有的或隨機的,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關電源或同時開關電源引起的周期性干擾信號而產生的串擾IC上的高速輸出（例如）.

確定性噪聲可以進一步細分為周期性抖動和與數據相關的抖動.一個例子來自開關電源的干擾噪聲是周期性的,因為該噪聲將具有相同的頻率作為開關電源.相反,準周期的,與數據相關的抖動的一個例子是符號間由等時8B/10B編碼的串行數據流（例如以太網PCI Express）引起的干擾（ISI）.這樣串行數據編碼涉及由于串行位模式而動態變化的占空比和不規則的時鐘沿,兩者都會造成整體抖動.鑒于石英晶體振蕩器信號不表現出任何與數據相關的抖動（本入門僅與時鐘信號有關）,在本文中將不再贅述.

抖動也可以分類為相關或不相關.在查詢相關性時,問“與什么相關？”是兩個事件或分布之間的相關性.周期性抖動始終與（或由某物引起）.非周期性抖動的一個例子是串行數據線干擾時鐘時信號.干擾與串行數據線相關,但是串行數據線可以是周期性的,也可以是周期性的非周期性的.串行數據傳輸很可能同時具有周期性和非周期性的成分.

兩件事如果它們在統計上不相關,則它們是不相關的.統計上不相關的抖動與可識別的抖動無關原因或影響.隨機抖動始終是不相關的.但是,不相關的抖動并不總是隨機的,可能會有兩個抖動信號,并且兩個周期抖動都是不相關的.在這種情況下,這兩個不相關的抖動源不會相互影響.關鍵是相關抖動和周期性抖動都有原因.確定原因后,有時可以采取補救措施來減少整體抖動的一部分.

3.抖動測量的類型

通常使用不同類型的抖動測量,因此使用以下抖動測量很重要：最適合手頭的特定應用.

如圖3所示,峰值周期間抖動是相鄰連續時鐘之間的最大差值在固定數量的周期（通常為1k或10k）上測量的周期.每當出現周期抖動時,都會使用需要限制石英晶振頻率突然跳躍的大小.術語峰峰值定義為差異在測量期間采樣的最小周期值和最大周期值之間.例如,峰峰值驅動PLL時,抖動非常有用.在這種情況下,可能希望限制瞬時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

如圖4所示,峰峰值周期抖動是最大時鐘周期與最小時鐘周期之間的差觀察窗口內所有單個時鐘周期的時鐘周期（通常為1ku或10ku周期）.這是一個非常用于保證數字系統中觸發器的建立和保持時間的有用規范.

圖4.周期抖動

如圖5所示,實際的時間間隔誤差（TIE）抖動（也稱為累積抖動或相位抖動）在所有時鐘周期內偏離理想時鐘周期.它包括所有抖動調制頻率上的抖動,并且通常用于廣域網定時應用中,例如SONET,同步以太網（SyncE）和光傳輸網絡（OTN）.

圖5.TIE抖動

直觀地看出,逐周期抖動的頻率抖動含量很高,因為影響給定時間的時間范圍時鐘周期的延長不得超過一個時鐘周期.同樣,似乎周期抖動會產生比TIE（或累積）抖動的高頻成分更多.這可以在圖6中看到,該圖顯示了純均勻,隨機,白噪聲抖動時鐘信號的三種抖動測量的結果.可以看出,TIE抖動在所有頻率上都是相同的（白噪聲的性質）,而周期抖動和周期抖動顯示出不同的程度,即具有更高的高通含量.

圖6.逐周期,周期和TIE抖動的頻率含量

對于所有類型的抖動,可以采用不同的統計信息.也就是說,均方根（RMS）,峰峰值和其他盡管周期值,周期值和TIE抖動的統計值存在,但某些值的使用更為普遍.每當使用峰峰統計時,需要采集的樣本數量必須足夠大以確保對測量的信心.通常,此類樣本大小為1,000至10,000.

通常希望將RMS抖動值轉換為峰峰值,反之亦然.常用方法是使用波峰因數（假設高斯噪聲模型）.容許的誤碼率（BER）值為給定的或假設的,結果波峰因數用于在兩者之間進行轉換.例如,BER為10-12時,RMS波峰因數為14.因此,抖動為1psRMS的時鐘信號將出現峰峰值抖動值為14ps.

4.徘徊

根據定義,石英貼片晶振漂移是指在載波偏移10Hz之內的抖動.如果抖動相對于載波小于10Hz,它被稱為流浪.如果它比載波偏離10Hz以上,則稱為抖動.稍后將看到,它花費的時間很短帶寬PLL以衰減漂移.在大多數系統中,漂移不是問題,因為系統PLL可以輕松實現跟蹤低頻游蕩,使他們能夠一起游蕩.之間的頻率差異段通常不重要,因為它們的先進先出（FIFO）緩沖區可以吸收瞬時差異.由于頻率差非常低,因此FIFO不必很深.

但是,漂移會在某些系統上積累,最終漂移會變得足夠大,以至于引起問題.圖7顯示了兩個不同的系統.第一個是典型的SONET應用程序,它實現了采用非常低的環路BW PLL的集中式時序,避免了漂移累積.第二個例子是允許漂移累積的同步以太網（SyncE）線路定時應用程序.漂移和抖動可以在級聯PLL系統中累積.

圖7.外部定時時鐘分配

5.時域與頻域測量抖動通常是時域項,而相位噪聲通常是頻域項.但是,這很常見因為這些術語會被寬松地使用,因此有時可以互換使用.從理論上講完美的測量設備,如果要將載波的相位噪聲積分到無窮大的偏移,相位噪聲和抖動將具有相同的數值.但是,經過實際測試和實際測試設備,這是根本不可能的,并且兩次測量之間始終存在差異.在盡管如此,重要的是要記住,時域和頻域方法的測量結果相同現象,即使確切結果取決于測量過程和設備的細節用過的.

大多數用于測量石英晶體振蕩器抖動的現代設備都屬于兩大類之一：時域和頻率域.時域設備通常以高速數字示波器的形式出現.單次采樣帶寬.頻域設備通常以頻譜分析儀的形式出現,具有相位噪聲測量功能的頻譜分析儀或相位噪聲分析儀.這兩個中的每個類別的設備有其優點和缺點. 讓我們仔細看看主要區別在這兩種測量抖動的方法之間.

時域設備的優點是能夠直接測量峰峰值,周期到周期,周期和領帶抖動.這種測量方法可以測量非常低頻的時鐘（或載波）的抖動信號.通過使用FFT和數字濾波器等技術對數據進行后處理,可以集成特定頻帶上的相位噪聲值,以產生RMS相位抖動值.只有時域設備可以測量所有抖動頻率分量.另一個關鍵點是時域設備是在測量與數據有關的抖動方面要好得多,這對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.

頻域設備無法直接測量峰峰值,周期間或周期抖動,因為本機功能是測量給定頻段中信號的RMS功率.頻域設備在測量與數據相關的抖動方面也很尷尬.但是,最好的頻域儀器具有與最佳時域儀器相比,本底噪聲更低.這一事實使頻域儀器成為第一個沒有數據相關抖動的超低相位噪聲時鐘信號測量的理想選擇.

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