数字电路设计中的抖动测量方法

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。

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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。

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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。

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。

编辑：黄飞