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時鐘抖動的影響

發(fā)布時間:2023-04-17 來源:大普通信 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】抖動和相位噪聲是晶振的非常重要指標(biāo),本文主要從抖動和相位噪聲定義及原理出發(fā),闡述其在不同場景下對數(shù)字系統(tǒng)、高速串行接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和射頻系統(tǒng)的影響。


1. 抖動和相位噪聲


1.1. 抖動


1.1.1.  抖動定義和分類


ITU-T G.701對抖動的定義為:“抖動是指數(shù)字信號在短期內(nèi)相對于理想位置發(fā)生的偏移重大影響的短時變化”。


對于真實物理世界中的時鐘源,比如晶振、DLL、PLL,它們的時鐘輸出周期都不可能是一個單點的固定值,而是隨時間而變化的。即使是同一個時鐘,此刻時鐘周期的邊沿與它下一個時鐘周期的邊沿都是會發(fā)生變化的。


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圖1 抖動的圖示


抖動分確定性抖動(Deterministic jitter,DJ)和隨機性抖動(Random jitter,RJ)兩種。DJ通常幅度有限,以單位時間表示,可粗略地分為周期性抖動(PJ)、有界不相關(guān)抖動BUJ和數(shù)據(jù)相關(guān)的抖動DDJ;RJ為高斯分布,以RMS均方根值表示。


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圖2 抖動分類


1.1.2. 隨機抖動


隨機抖動是在任何周期中都是無法預(yù)測的,只能預(yù)測其統(tǒng)計特性。最常用于隨機抖動測量的是正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差,也叫RMS抖動。


隨機抖動來自真正的隨機行為,器件的內(nèi)部熱噪聲、閃爍噪聲、晶體的隨機振動、宇宙射線等都可能引起隨機抖動,這些來源很難消除。


1.1.3. 確定性抖動


確定性抖動是遵循已知模式的抖動,非高斯分布,通常是有邊際的,它是可重復(fù)可預(yù)測的。確定性抖動的峰值可以直接測量,并且測量的結(jié)果是絕對的。


(1)周期性抖動PJ


周期性抖動測量主要是針對時鐘信號,它測量實時時鐘的每一個周期,然后對實際時鐘周期進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,最后根據(jù)概率統(tǒng)計給出該時鐘周期大小的分布規(guī)律,此測量將顯示信號的整體質(zhì)量。可能的抖動源有:電源的EMI干擾與擴(kuò)頻時鐘SSC的調(diào)制信號。


(2)有界不相關(guān)抖動BUJ


主要由電源或相鄰信道的串?dāng)_等引起的,可以是周期的(Periodic),也可以是非周期的(non-periodic)。其來源通常有3種:電源噪聲、串?dāng)_和外部噪聲。


(3)數(shù)據(jù)相關(guān)抖動DDJ


DDJ分為ISI和DCD兩種。


符號間干擾ISI是由于信道帶寬受限,相鄰的碼元沖擊效應(yīng)疊加產(chǎn)生。


DCD 值是相對于50%的理想占空比偏差,一般分兩種情況:


①信號的上升沿和下降沿的斜率不同;

②信號DC平均值發(fā)生變化而導(dǎo)致波形的判決門限高或者低于判決閾值;


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表1 確定性抖動和隨機抖動的比較


1.2. 相位噪聲和抖動轉(zhuǎn)換


相位噪聲是時鐘頻域上的表現(xiàn),抖動是時鐘時域上的體現(xiàn),相位噪聲可以通過數(shù)學(xué)變換轉(zhuǎn)換成抖動。


1.2.1. 相位噪聲定義


理想正弦波信號V(t)=Asin(2*pi*fc*t),其頻譜就是一條以fc為中心的直線?,F(xiàn)實世界中的正弦波信號有不穩(wěn)定性,從而產(chǎn)生了邊帶,其頻譜是一條類似裙子的逐漸衰落曲線。


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圖3 理想的正弦波信號頻譜


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圖4 現(xiàn)實世界中的正弦波信號頻譜


相位噪聲(Phase Noise)是抖動在頻域上的表現(xiàn),通常定義為在某一頻率偏移f0處1Hz寬帶內(nèi)的單邊噪聲信號積分功率和信號功率比值,單位是dBc/Hz,通常表示為dBc/Hz@ f0,數(shù)學(xué)表示如下:


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圖5 相位噪聲定義圖示


晶振相位噪聲的來源主要有三方面:


①晶體品質(zhì)因數(shù)Q值,主要影響1Hz~1KHz近端相位噪聲;

②晶體外圍電路,包括電源、振蕩電路、驅(qū)動線路等,主要影響1KHz~10MHz的相位噪聲;

③信號輸出的白噪聲,主要影響10M~20M遠(yuǎn)端相位噪聲。


1.2.2. 相位噪聲轉(zhuǎn)換成抖動


抖動是信號的時域表現(xiàn),相位噪聲呈現(xiàn)出的是信號的頻域特性。這兩者本質(zhì)上是一樣的,只是表述方式不同而已,下圖6給出從相位噪聲轉(zhuǎn)換成抖動的示意。


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圖6 相位噪聲積分圖示


L(f)以功率譜密度函數(shù)的形式給出了邊帶噪聲的分布,單位為dBc。單邊帶的總噪聲功率N可以由L(f)函數(shù)在整個感興趣頻段內(nèi)(通常選用的積分范圍為12KHz到20MHz)積分得到。


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噪聲功率N轉(zhuǎn)換成RMS抖動:


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2. 抖動和相位噪聲的影響


在通信網(wǎng)絡(luò)、無線傳輸、CPRI和SONET等高速系統(tǒng)中,時鐘或振蕩器波形的時序誤差會限制一個數(shù)字I/O接口的最大速率。不僅如此,它還會導(dǎo)致通信鏈路的誤碼率增大,甚至限制A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍。下面描述時鐘抖動和相位噪聲對數(shù)字系統(tǒng)、高速串行接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和射頻系統(tǒng)的影響。


2.1. 數(shù)字系統(tǒng)


在數(shù)字系統(tǒng)中時鐘邊沿決定了每個基本單元的開始和結(jié)束時間。當(dāng)抖動改變了時鐘邊沿從而導(dǎo)致時鐘周期變化時,每個基本單元的有效工作時間也會發(fā)生變化,可能會導(dǎo)致信號的建立時間和保持時間不能滿足要求,從而影響電路的正常工作。


確定時鐘容差最好的方法是建立時序預(yù)算。如下圖7所示,最早達(dá)到時鐘的上升沿標(biāo)志著窗口開始,最晚到達(dá)時鐘的上升沿標(biāo)志著窗口的結(jié)束,兩者的時間差為窗口。為了創(chuàng)建時序窗口,還需要考慮加上偏斜、延時和抖動等指標(biāo)(見圖8)。


隨著系統(tǒng)時鐘速度的提高,要求時序電路的容差更小,減小時鐘抖動有利于提高系時鐘的容差,給系統(tǒng)的偏斜與延時提供更多的余量。


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圖7 時序窗口


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圖8 時序窗口的組成


2.2. 高速接口


當(dāng)使用Serdes發(fā)送或者接收串行bit流時,時鐘是用于對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼,并將時鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中。接收器會從傳輸?shù)谋忍亓髦蟹蛛x出單獨的時鐘,用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和捕捉。在該系統(tǒng)中累計抖動決定了bit到達(dá)與采樣之間的時間差,因此它是最重要的。如果整個系統(tǒng)中抖動太大,會出現(xiàn)如圖9中所示的眼圖,從而會導(dǎo)致接受端采樣到錯誤的bit。表2給出了常見的高速接口抖動要求。


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圖9 時鐘抖動對高速接口的影響


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表2 常見的高速接口抖動要求


2.3. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器


在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)中,對信號的采樣可以轉(zhuǎn)換為信號與時鐘時域乘積。時鐘決定了信號采樣時間,如果時鐘抖動導(dǎo)致采樣時間偏離了理想采樣時間,會導(dǎo)致采樣到的信號值相比于理想的信號值發(fā)生變化,從而惡化信噪比和動態(tài)范圍,降低轉(zhuǎn)換器的有效分辨率。


采樣抖動是由外部時鐘抖動和ADC內(nèi)部孔徑抖動決定:


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采樣抖動造成的ADC SNR下降計算如下:


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由量化噪聲、熱噪聲和采樣抖動三者一起決定ADC的SNR:


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圖10 時鐘抖動對ADC采樣影響


2.4. 射頻系統(tǒng)


在射頻系統(tǒng)中,時鐘主要為產(chǎn)生本振的鎖相環(huán)提供參考。鎖相環(huán)合成出來的本振信號通常為混頻器或者正交調(diào)制、解調(diào)器提供穩(wěn)定的高頻振蕩頻率,用于產(chǎn)生發(fā)射信號或者下變頻的接收信號。當(dāng)混頻器工作時,源信號會在時域上乘以本振時鐘來進(jìn)行上變頻或下變頻,得到目標(biāo)信號的頻譜為源信號頻譜與本振時鐘頻譜的乘積。


因此,本振時鐘中的任何相位噪聲都會在輸出端產(chǎn)生不想要的信號并混在目標(biāo)信號中,可能會出現(xiàn)倒易混頻,從而降低系統(tǒng)中有用信號的信噪比,降低接收機的靈敏度,惡化發(fā)射機的ACLR和EVM,這就要求晶振和時鐘選型必須滿足嚴(yán)格的相位噪聲指標(biāo)。


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圖11 單音干擾時的倒易混頻


大普通信的Crystal和SPXO在-40℃~+85℃范圍內(nèi)具有±20ppm的穩(wěn)定度,42fs@156.25MHz的低相位抖動,具有單端和差分兩種輸出接口;TCXO具有-150dBc/Hz@1KHz的相位噪聲,OCXO極低相位噪聲-170dBc/Hz@1KHz,并達(dá)到-120dBC/Hz@1Hz的優(yōu)越近端相噪。這些產(chǎn)品非常適合精密儀器、高速接口、數(shù)字系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)等對相位噪聲有高需求的場景。


另外大普通信的SO系列全硅振蕩器,抗振動性能好,典型抖動為350fs,符合PCIe Gen1/2/3/4/5,支持頻率可配置,非常適合服務(wù)器、高速存儲、交換機等產(chǎn)品。


3. 相關(guān)術(shù)語


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4. 參考文獻(xiàn)


[1] Telcordia GR-253-CORE Issue 4

[2] Renesas Application Note839《RMS phases jitter》 



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