抖动和相位噪声定义

大家好，欢迎观看 TI高精度实验室系列 — 时钟和计时中的噪声。 遵守时钟抖动预算 通常是系统设计的一个 关键部分。 在本模块中，我们将探讨抖动的定义和类型， 以及由过度抖动或相位噪声 引起的一些系统级损伤。 时钟抖动是相对于时钟预期位置或 理想位置的短期波动或 时钟边沿的变化。 任何来源（例如周期性、非周期性或依赖于数据的 来源）都可能导致时钟边沿偏离 其理想位置。 这些变化的常见来源 包括内部设备噪声（例如热噪声、 闪烁噪声等）、时钟生成电路中的缺陷、 电源噪声、板级缺陷（如串扰、 依赖于数据的干扰、端接不良引起的 反射）以及其他板级原因、 系统级缺陷（例如电磁干扰 易感性。 通常情况下，时钟抖动 主要分为两个组： 无界或随机抖动和有界或确定性 抖动。 无界或随机抖动是由 每个系统中的随机或高斯过程引起的。 此噪声来源的瞬时值无界， 并且是每个系统固有的。 确定性抖动是由非随机过程引起的， 并不是每个系统固有的。 确定性抖动可以是周期性的（例如 来自 DC/DC 转换器的噪声），也可以是依赖于数据的 （例如码间串扰）。 依赖于数据的确定性抖动 可以是不相关抖动，也可以是相关抖动。 尽管随机抖动很难消除， 但可以通过精心的系统设计 来减少确定性抖动。 有界抖动表示为 峰峰值抖动，而无界抖动 表示为 RMS 抖动。 峰峰值抖动定义为 时钟边沿的最小偏差和最大偏差 之差。 当针对不同的样本长度计算抖动时 （根据 JEDEC 标准为 10,000 个样本）， 直方图遵循正态分布或高斯分布。 RMS 抖动是该直方图中 一个标准偏差 Σ 的值。 峰峰值抖动是直方图上 最大和最小测量值之间的 距离。 由于随机抖动是无界的， 因此需要最大误码率才能 将 RMS 抖动转换为峰峰值抖动。 BER（误码率）定义为 单位时间间隔中的错误位数。 例如，BER 为10 的负 12 次方表示 在 10 的 12 次方个周期内最大一位错误。 为了将 RMS 抖动转换为峰峰值抖动， 根据高斯噪声模型的假设使用了 BER 乘法器。 对于 10 的负 12 次方 BER，峰峰值抖动 等于 RMS 抖动的14.069 倍。 对于其他 BER，可以根据 表中所示的乘数， 从 RMS 抖动计算出峰峰值抖动。 在串行数据通信中， 数据通过链路或物理介质 从发送器传输到接收器。 在某些情况下，可以通过 其他链路传输时钟。 数据传输的速度和效率 取决于许多电气和物理因素。 其中一个因素就是时钟抖动。 如果时钟抖动过高，则无法在接收器端 恢复数据。 为了评估串行链路的性能， 使用了依赖于数据的电气测量 来评估高速数据质量和 高速收发器的性能。 眼图是很好的通用工具， 可用于设计和仿真系统， 评估具有高速链路的产品。 为了生成眼图， 需要对输入的数据进行重复采样 并在示波器上持续显示。 如果数据链路损坏或嘈杂，则眼睛会闭上， 并且数据传输中会出现很大的错误。 当链路情况良好时，眼图 将显示清晰的眼睛张开状态。 相对于平均频率误差为零的 理想时钟，可以在参考时钟上观察 眼图。 参考眼图的抖动 也可以在该眼图中观察到。 还可以对眼图进行 几个关键的水平测量。 眼宽是这些测量中最重要的一个， 通过它可以了解接收器 在一个单位间隔内必须进行位采样的时间。 这种测量通常在 眼睛最宽处或交叉区域进行。 达到特定的眼宽对于通过 眼图测试而言至关重要， 并且通常在眼罩中 描述眼睛张开度限制。 从时序的角度来看，眼宽还可以让我们 感受到眼图的张开度。 可以为眼图测量总抖动， 并通过示波器将其分解为 基本分量。 随着总抖动的增加，信号的可用 眼宽会减小，并会影响接收器 如何采样传输的数据。 眼图张开度还可以用于提取 特定眼图的误码率估计。 具有较大总抖动的系统 倾向于具有较差的信号性能， 并且由于眼图张开度较小， 可能无法通过眼罩，而导致较高的误码率。 但是，通过引入高速信号调节器， 可以减少系统中的抖动量， 并且可以恢复眼宽， 帮助通过眼罩测试， 达到可接受的信号质量性能， 增加眼睛张开度并降低总体 误码率。 还可以从眼图中提取边沿速率， 边沿速率在确定可能导致交叉区域漂移的特定 影响、眼宽影响 和传输线的不同负载影响方面 很有用。 边沿速率也可以是在实现某些高速 数据协议以确保适当的发送器性能时 针对眼图测试的另一个参数。 根据规格的不同，可以通过稍微 不同的方式来测量边沿速率， 例如 90%/10%、80/20% 或 70/30% 电压电平。 在此处显示的图表中，测量点 处于 90/10% 的电压水平处。 模数转换器 (ADC) 用于将任何模拟量（例如电压递归） 转换为数字。 在理想情况下， 数字应准确表示 所测量的模拟值。 由于使用时钟源对传入的模拟量 进行采样，因此时钟源中的噪声 会在采样值中引入噪声。 假设正弦波输入处有一个带限信号， 则信号的斜率将取决于 正弦波频率。 时钟源中的抖动乘以 输入信号的斜率，并在采样器处 转换为噪声，在这种情况下为 电压噪声。 时钟源抖动越高， 采样器处的噪声就越高。 输入信号的斜率越高， 采样器处的噪声就越高。 时钟源的抖动会限制特定 信噪比下的最大输入频率。 此图显示了具有各种时钟源的 ADC 中可实现信噪比的代表性 曲线图。 公式中给出了有效 SNR，其中 Σ 是 峰峰值时钟抖动。 本培训模块到此结束。 请继续学习TI 高精度实验室中的 时钟和计时系统中的噪声系列课程。 我们设置了一个包含五个问题的简单测验，请尝试完成此测验， 以检查您对本视频内容的理解程度。 要查找更多技术信息和搜索产品， 请访问 TI.com/clocks。