高速通信和測量系統(tǒng)的不斷進(jìn)步需要系統(tǒng)時鐘和參考的更高性能水平。過去可接受的性能可能不足以支持高速同步設(shè)備。也許最重要和最不被理解的時鐘性能測量是抖動。 

這次討論的目的有四個。
1. 直觀地定義抖動，并討論它的屬性。
2. 解釋抖動如何降低系統(tǒng)性能。
3. 描述測量抖動的各種實用方法，包括每種方法的相關(guān)性和易用性。
4. 提供指定高速時鐘和相關(guān)設(shè)備的指南。
抖動定義：
o 抖動：“數(shù)字信號從其理想位置及時的重要瞬間的短期變化”（ITU）。
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中的預(yù)期邊緣永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)在所需的位置。定義和測量這些邊沿的定時精度（抖動）對于同步通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。 

具有抖動邊緣的數(shù)字波形 
 
圖1 

術(shù)語的定義： 
a. 以單位間隔表示的抖動：單個單位間隔是時鐘頻率的一個周期。這是標(biāo)準(zhǔn)化的時鐘周期。以單位間隔表示的抖動將抖動的大小描述為一個單位間隔的小數(shù)部分。
b. 以度（度）表示的抖動：以度表示的抖動以度為單位描述抖動的幅度。其中一個周期等于360度。
c. 以絕對時間表示的抖動：以時間單位表示的抖動以適當(dāng)?shù)臄?shù)量級（通常為皮秒）描述抖動的幅度。
d. 表示為功率測量的抖動以弧度或單位間隔平方為單位進(jìn)行描述。通常以dB為單位表示相對于一個周期平方 （來自Bellamy） [1]
e. 模式抖動：模式相關(guān)的抖動。有時也稱為翻邊。本質(zhì)上不隨意。一般是次諧波的結(jié)果。在時域中查看時，它被視為多種抖動模式。模式抖動是確定性的，這是一種可歸因于獨特源的現(xiàn)象。本討論中提到的所有其他抖動本質(zhì)上是隨機(jī)的，并且可能僅被描述為關(guān)于時間的隨機(jī)變量。
例如： 
假設(shè)時鐘晶體振蕩器速率為155.52 MHz。一個單位間隔將等于信號的周期，1 / 155.52MHz = 6.43nsec。= 360度 
假設(shè)100 ps Pk-Pk的抖動。
100 Ps的抖動= .01555單位間隔（UI）的抖動= 5.598度。抖動 （所有Pk-Pk）所有三個測量都描述了相同的抖動量。 
對于抖動功率，使用rms（一個sigma ）測量。對于上述情況，我們將Pk-Pk近似為RMS值的7 或7倍，放置有效值。抖動功率為.0000049 UI ²。{（。01555/7）²。以dB表示，相對于一個單位間隔，在這種情況下的抖動功率將是10log（.0000049）= -53.1dB ui。如稍后將看到的，可以從功率譜密度（相位噪聲）測量導(dǎo)出抖動。表1涉及155.52 MHz系統(tǒng)時鐘中各種抖動測量。

Pk-Pk抖動秒	學(xué)位	單位間隔	單位間隔	抖動功率
6.43E-09 =一個周期	學(xué)位（Pk-Pk）	Pk-Pk單位	RMS單位	dBui
	標(biāo)準(zhǔn)化	標(biāo)準(zhǔn)化	標(biāo)準(zhǔn)化
1.00E-10	5.60	0.015552	0.0022217	-53.07
2.00E-11	1.12	0.003110	0.0004443	-67.05
			（Pk-Pk的1/7
			近似）

表1 
抖動帶寬和頻譜內(nèi)容 
圖1中邊緣的位移是噪聲的結(jié)果。噪聲具有光譜含量和功率。因此，圖1中的邊緣抖動也具有頻譜內(nèi)容。圖1中的邊緣隨時間隨機(jī)變化，但導(dǎo)致抖動的噪聲在所有頻率上不一定均勻。由于100 kHz噪聲，10 kHz噪聲引起的抖動可能大于或小于抖動。時鐘抖動的頻譜內(nèi)容根據(jù)用于生成時鐘的技術(shù)而有很大差異。測量的抖動也隨測量技術(shù)和抖動帶寬而變化。指定或測量的抖動不正確可能導(dǎo)致不必要的成本或系統(tǒng)性能不佳。參見參考文獻(xiàn)[2,3]有關(guān)定義和指定電信系統(tǒng)中抖動的其他信息。各種時鐘源的抖動特性將在本文后面討論。 

抖動如何影響系統(tǒng)性能 
抖動對通信系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本討論的范圍。有關(guān)更徹底的治療，請參閱參考文獻(xiàn)[1,4]。簡單的討論可能有助于理解數(shù)字系統(tǒng)中抖動的有害影響。
通過同步通信系統(tǒng)傳輸?shù)拿恳晃粩?shù)據(jù)都在接收器處對其值進(jìn)行采樣。采樣數(shù)據(jù)只能具有邏輯1或0的值。采樣數(shù)據(jù)的最佳點位于每個發(fā)送時鐘周期的中心。為了執(zhí)行此功能，接收器將其自己的時鐘與用于傳輸數(shù)據(jù)的時鐘對齊。圖2，a，b和c分別表示理想的，典型的和損壞的數(shù)據(jù)流。通常稱為“眼圖”，每個圖是由于噪聲或抖動引起的邊緣放置的累積圖形畫像。理想情況下，采樣發(fā)生在“眼睛”的中心。隨著邊緣抖動的增加，明顯的眼睛開始閉合。結(jié)果，出現(xiàn)錯誤的可能性，即.... 將邏輯1誤認(rèn)為是零的可能性更大。石英晶體振蕩器噪聲引起的抖動只是電信系統(tǒng)抖動的一個來源。系統(tǒng)設(shè)計人員必須考慮電信系統(tǒng)中的許多噪聲源。時鐘源引入的抖動是噪聲的一個組成部分，只能成為“誤差預(yù)算”的一部分，必須根據(jù)性能要求和成本進(jìn)行權(quán)衡。


測量技術(shù) 

時域測量 
使用延遲線的邊緣到邊緣抖動 
時鐘抖動的真正衡量標(biāo)準(zhǔn)是時鐘邊沿隨時間的精確位置。檢查邊緣位置的最直接方法是使用示波器觀察邊緣。遺憾的是，使用標(biāo)準(zhǔn)示波器技術(shù)無法在絕對時間內(nèi)識別各個時鐘邊沿。使用標(biāo)準(zhǔn)示波器測量的任何抖動都是由于觸發(fā)不穩(wěn)定造成的。因此，使用示波器（即使是非常好的示波器）進(jìn)行直接波形測量也不是有效的抖動測量。另一種技術(shù)用于定位參考邊緣，與時間進(jìn)行區(qū)分，并檢查后續(xù)邊緣上的抖動。圖3以典型配置說明了這種方法。 


　　被測單元的輸出被饋入分路器/延遲線。分路器的非延遲輸出被饋送到示波器的外部觸發(fā)輸入（在這種情況下為CSA-803）。DL-11的延遲輸出連接到示波器的輸入。通過在觸發(fā)器之后一次檢查時鐘流等于所使用的延遲（在這種情況下，47納秒），觸發(fā)邊緣被定位。在識別出觸發(fā)邊緣之后，檢查下一個邊緣。然后產(chǎn)生測量的第二邊緣抖動的直方圖。 

CSA-803用于其統(tǒng)計和直方圖功能。這是一種有用的技術(shù)，受延遲線的長度和示波器的速度/靈敏度的限制。適用于大于1 /（2d），測量受示波器噪聲的限制。低于1 /（2d），靈敏度下降約2??0 dB / decade。對于圖3中所示的47nsec延遲，轉(zhuǎn)角頻率出現(xiàn)在3.3MHz。使用CSA-803可以將3.3 MHz以上頻率引起的所有抖動分解為大約5 ps。330 kHz時的抖動無法在50 ps以下解析。以類似的方式，在500 ps以下無法測量33 kHz的抖動。圖4是使用47納秒延遲線的RMS抖動靈敏度圖。了解此測量方法的優(yōu)點和局限性至關(guān)重要。對于給出的數(shù)值示例，將不會看到低于300 kHz的低頻抖動。相反，可以很容易地識別由邊帶3.0 MHz偏移或更多引起的抖動。當(dāng)測量采用直接倍頻的振蕩器或不考慮低頻抖動時，該測試方法是合適的。（參見模式抖動的先前描述）。 


Sens（f）=      其中：
Sens（f）=抖動靈敏度
d =使用的延遲量
f =要測量的抖動頻率
r =示波器分辨率
圖4 

使用鎖相環(huán)的抖動測量 

值得注意的是延遲的長度測量邊緣抖動時，線路限制分辨率。為了測量低于100Hz偏移的抖動，人們只需要訂購大約三百英里的極低損耗延遲線。代替這種裝置，鎖相環(huán)用于各種噪聲測量。 


圖4顯示了用于測量時鐘源噪聲的鎖相環(huán)（PLL）的基本元件。 Gardner [5]， Best [6]和 Woolover [7]是理解PLL的三個很好的參考。一些關(guān)鍵循環(huán)要求如下：
o PLL環(huán)路帶寬是成功測量的關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)僅測量環(huán)路帶寬之外（高于）環(huán)路帶寬的抖動頻率。建議將環(huán)路帶寬設(shè)置為最感興趣的最低抖動頻率的1/10。
o 環(huán)路阻尼必須設(shè)置為至少5，以減少PLL中的抖動峰值。抖動峰值會增加測量的抖動。
o 測量濾波器對應(yīng)于Bellcore和ITU規(guī)范中建議的抖動帶寬。有關(guān)抖動帶寬和規(guī)格的列表，請參閱[2,3]。頻帶限制需要定義為任何有效測量的前提條件。
o 相位檢測器（PD）的輸出是變化的DC信號，其與由于抖動引起的變化相位成比例。有必要知道以伏特/弧度為單位的PD的增益常數(shù)（Kd），以便量化檢測到的抖動。例如，對于具有10度的振蕩器，Kd等于1毫伏/度的相位檢測器將具有10mV的峰峰值輸出。Pk-Pk抖動。可能需要注入已知量的抖動以校準(zhǔn)系統(tǒng)以進(jìn)行精確測量。
使用鎖相環(huán)的抖動測量

：解釋數(shù)據(jù)。
o 在時域中，圖5中相位檢測器的輸出信號包含有關(guān)測量時鐘抖動的大量信息。使用示波器直接檢查信號可以顯示Pk-Pk抖動。真正的RMS電壓表可用于測量RMS（一個西格瑪）抖動。對于這些測量，使用的測量濾波器代表感興趣的抖動頻率帶是至關(guān)重要的。當(dāng)需要10 kHz至1 MHz的帶寬時，測量直流至10 MHz的噪聲是沒有意義的。具有直方圖和統(tǒng)計功能的示波器可用于表征測量的抖動。
o 在頻域中，來自圖4中的相位檢測器的輸出信號的頻譜表示頻域中的頻譜和抖動的相對幅度。使用低頻或FFT分析儀檢查頻譜，可以在頻譜方面提供最直觀的時鐘抖動圖。通過在所關(guān)注的頻率上積分信號抖動頻譜，可以導(dǎo)出時鐘的RMS抖動。這是用于表征抖動的最準(zhǔn)確且最不幸的方法，需要專門的測試設(shè)備。數(shù)字示例如下所示，并包含在 附錄A中。

指定抖動性能
只要符合以下條件，良好的抖動性能和低成本并不相互排斥：
o 抖動的系統(tǒng)要求根據(jù)幅度和頻譜來定義。
o 用于生成時鐘輸出頻率的方法對于應(yīng)用來說是最佳的。

系統(tǒng)要求： 
雖然無法解決所有可能的變化，但基于多年振蕩器制造的一些一般性建議可能會有所幫助。 
雖然不是對所有應(yīng)用的完整調(diào)查，但表1是指定振蕩器性能的起點。高于1 kHz的抖動被認(rèn)為是高頻抖動。 

應(yīng)用性能要求

系統(tǒng)應(yīng)用	難度	低頻率	高頻	可能
		抖動重要性	抖動重要性	類型
				看看 表2
雷達(dá)	非常困難的噪音應(yīng)用	危急	危急	A B C D
超聲/ MRI	非常困難的噪音應(yīng)用	危急	危急	A B C D
導(dǎo)航/ GPS	難以應(yīng)用的噪音	危急	高	A B C D
傳輸系統(tǒng)（電信）
公共網(wǎng)絡(luò)	中等噪聲應(yīng)用	中等	中等	A B C D
專用網(wǎng)絡(luò)（LAN）	通常最簡單的應(yīng)用	低	低	A，B，F(xiàn)
頻率合成（見注1）
低頻率 參考		中度嚴(yán)重	中度低	A，B，C
高頻源		中度低	中度嚴(yán)重	D，E，F(xiàn)

表1 
注1：總體抖動性能高度依賴于環(huán)路參數(shù)。 

時鐘產(chǎn)生： 
可以采用各種方法來產(chǎn)生高頻時鐘。
根據(jù)所使用的技術(shù)，性能可能會有很大差異。低于20 MHz，可以假設(shè)直接晶體頻率產(chǎn)生對于除最關(guān)鍵要求之外的所有要求都是足夠的。對于20 MHz及以上的低抖動應(yīng)用，應(yīng)考慮低噪聲選項。表2可用作選擇具有成本效益的解決方案的起點。表2中列出的方法的變化和組合也可以是最佳解決方案。 

抖動性能

技術(shù)	成本	LF抖動	高頻抖動	評論	類型
	1是最低的	1是最好的	1是最好的
	3是最高的	3是最糟糕的	3是最糟糕的
直接時鐘/ TCXO	1	2	1或2	非常好的抖動	一個
直接VCXO	2	1	1或2	非常好的抖動	乙
直接烤箱	3	1	1	優(yōu)秀的抖動	C
調(diào)諧乘法	2	1	1或2	周期性抖動	d
離散PLL	2	2	2或3	好抖動	Ë
單片PLL	1	3	2或3	關(guān)閉抖動很差	F

表2 

結(jié)論 
為了正確指定頻率源的性能，應(yīng)考慮抖動頻率和幅度。這需要了解抖動，測量技術(shù)及其局限性。花在確定系統(tǒng)需求上的時間將減少問題，并減少以后修復(fù)這些問題的時間。它還將為每種應(yīng)用確定一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。 
在本文中，我們討論了抖動的定義，用于描述抖動的單位，以及為什么抖動是一個重要參數(shù)。我們還回顧了用于測量抖動的技術(shù)，以及基于各種振蕩器的應(yīng)用和典型性能。討論絕不是完整的，但應(yīng)該給讀者足夠的信息來理解所涉及的問題。列出了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及進(jìn)一步閱讀的參考資料。希望本文有用，并被認(rèn)為是理解和指定抖動的良好起點。