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什么是抖動(dòng)和相位噪聲？

抖動(dòng)（Jitter）反映的是數(shù)字信號(hào)偏離其理想位置的時(shí)間偏差。高頻數(shù)字信號(hào)的 bit 周期都非常短，一般在幾百 ps 甚至幾十 ps，很小的抖動(dòng)都會(huì)造成信號(hào)采樣位置電平的變化，所以高頻數(shù)字信號(hào)對(duì)于抖動(dòng)都有嚴(yán)格的要求。

 

 

實(shí)際信號(hào)的很復(fù)雜，可能既有隨機(jī)抖動(dòng)成分（RJ），也有不同頻率的確定性抖動(dòng)成分（DJ）。確定性抖動(dòng)可能由于碼間干擾或一些周期性干擾引起，而隨機(jī)抖動(dòng)很大一部分來源于信號(hào)上的噪聲。下圖反映的是一個(gè)帶噪聲的數(shù)字信號(hào)及其判決閾值。一般我們把數(shù)字信號(hào)超過閾值的狀態(tài)判決為“1”，把低于閾值的狀態(tài)判決為“0”，由于信號(hào)的上升沿不是無限陡的，所以垂直的幅度噪聲就會(huì)造成信號(hào)過閾值點(diǎn)時(shí)刻的左右變化，這就是由于噪聲造成信號(hào)抖動(dòng)的原因。

 

 

 

要進(jìn)行信號(hào)抖動(dòng)的分析，最常用的工具是寬帶示波器配合上響應(yīng)的抖動(dòng)分析軟件。示波器里的抖動(dòng)分析軟件可以方便地對(duì)抖動(dòng)的大小和各種成分進(jìn)行分解，但是示波器由于噪聲和測(cè)量方法的限制，很難對(duì)亞 ps 級(jí)的抖動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)量。現(xiàn)在很多高速芯片對(duì)時(shí)鐘的抖動(dòng)要求都在 1ps 以下甚至更低。這就需要借助于其它的測(cè)量方法比如相位噪聲（phase noise）的測(cè)量方法。

 

我們知道抖動(dòng)是時(shí)間上的偏差，它也可以理解成時(shí)鐘相位的變化，這就是相位噪聲。對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)，我們觀察其基波的頻譜分布。理想的時(shí)鐘信號(hào)其基波的頻譜應(yīng)該是一根很窄的譜線，但實(shí)際上由于相位噪聲的存在，其譜線是比較寬的一個(gè)包絡(luò)，這個(gè)包絡(luò)越窄，說明相位噪聲（抖動(dòng)）越小，信號(hào)越接近理想信號(hào)。下圖是一個(gè)真實(shí)時(shí)鐘信號(hào)的頻譜，信號(hào)的基波在 2.5GHz，我們觀察 2.5GHz 附近 10MHz 帶寬的頻譜。我們可以看到首先信號(hào)的頻譜不是一根很窄的譜線，其譜線有展寬（隨機(jī)噪聲的影響），其次上面疊加的還有一些特定頻率的干擾（確定性抖動(dòng)的影響）。

 

 

   

為了更方便觀察低頻的干擾，在相位噪聲測(cè)量中通常會(huì)以信號(hào)的載波頻率為起點(diǎn)，把橫坐標(biāo)用對(duì)數(shù)顯示，其橫坐標(biāo)反映的是離信號(hào)載波頻率的遠(yuǎn)近，縱坐標(biāo)反映的是相應(yīng)頻點(diǎn)的能量和信號(hào)載波能量的比值。這個(gè)比值越小，說明除了載波以外其它頻率成分的能量越小，信號(hào)越純凈。要進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲精確測(cè)量使用的儀器是信號(hào)源分析儀，信號(hào)源分析內(nèi)部有特殊的電路，通過兩個(gè)獨(dú)立本振的多次相關(guān)處理可以把自身本振的相位噪聲壓得非常低，從而可以進(jìn)行精確的相位噪聲測(cè)量。

 

 

 

對(duì)于很多晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘來說，其抖動(dòng)中的主要成分是隨機(jī)抖動(dòng)。如果我們把相位噪聲測(cè)試結(jié)果里不同頻率成分的相位噪聲能量進(jìn)行積分的話，我們就能夠得到隨機(jī)抖動(dòng)。通過信號(hào)源分析儀對(duì)相位噪聲測(cè)量然后對(duì)一定帶寬內(nèi)的能量進(jìn)行積分，我們就可以得到精確的隨機(jī)抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果。信號(hào)源分析儀能測(cè)量到的最小抖動(dòng)可以到 fs 級(jí)。