关于晶体振荡器抖动分类和抖动测量入门知识

1.简介

随着时钟速度和通信通道的运行频率越来越高,以前几乎不需要考虑有源晶振,石英时钟抖动和相位噪声,而现在市场应用需要,因此我们要增加对这些知识的了解.关于晶体振荡器抖动和抖动测量以及锁相环的入门知识,概述了抖动,为进行抖动测量提供了实际帮助,并且研究锁相环（PLL）在此字段中的作用.

2.抖动类别

首先定义几个抖动类别,然后讨论不同类别的抖动方式和原因.抖动分为两大类：随机抖动和确定性抖动（请参阅图1）.

图1.抖动类别

随机抖动是宽带随机高斯过程,有时称为固有噪声,因为它总是存在.在文中后面显示的各种相位噪声图中,曲线的底部表示本底噪声,表示随机抖动.虽然随机抖动经常发生被称为背景或热噪声,它很容易成为晶振整体抖动的最重要因素.因为随机抖动建模为高斯分布,严格来说,其瞬时噪声值为数学上无界.查看图2中的高斯曲线,两条尾巴远离曲线的中心渐近地接近（但从未完全达到）零.尽管某些值的概率是很小,不为零,因此,高斯噪声被认为是无界的.

图2.高斯分布

确定性抖动不是固有的或随机的,并且有特定的原因,尽管可能很难确定具体原因.它通常是周期性且窄带的.例如,确定性噪声可能是由于由于开关电源或同时开关电源引起的周期性干扰信号而产生的串扰IC上的高速输出（例如）.

确定性噪声可以进一步细分为周期性抖动和与数据相关的抖动.一个例子来自开关电源的干扰噪声是周期性的,因为该噪声将具有相同的频率作为开关电源.相反,准周期的,与数据相关的抖动的一个例子是符号间由等时8B/10B编码的串行数据流（例如以太网PCI Express）引起的干扰（ISI）.这样串行数据编码涉及由于串行位模式而动态变化的占空比和不规则的时钟沿,两者都会造成整体抖动.鉴于石英晶体振荡器信号不表现出任何与数据相关的抖动（本入门仅与时钟信号有关）,在本文中将不再赘述.

抖动也可以分类为相关或不相关.在查询相关性时,问"与什么相关?"是两个事件或分布之间的相关性.周期性抖动始终与（或由某物引起）.非周期性抖动的一个例子是串行数据线干扰时钟时信号.干扰与串行数据线相关,但是串行数据线可以是周期性的,也可以是周期性的非周期性的.串行数据传输很可能同时具有周期性和非周期性的成分.

两件事如果它们在统计上不相关,则它们是不相关的.统计上不相关的抖动与可识别的抖动无关原因或影响.随机抖动始终是不相关的.但是,不相关的抖动并不总是随机的,可能会有两个抖动信号,并且两个周期抖动都是不相关的.在这种情况下,这两个不相关的抖动源不会相互影响.关键是相关抖动和周期性抖动都有原因.确定原因后,有时可以采取补救措施来减少整体抖动的一部分.

3.抖动测量的类型

通常使用不同类型的抖动测量,因此使用以下抖动测量很重要：最适合手头的特定应用.

如图3所示,峰值周期间抖动是相邻连续时钟之间的最大差值在固定数量的周期（通常为1k或10k）上测量的周期.每当出现周期抖动时,都会使用需要限制石英晶振频率突然跳跃的大小.术语峰峰值定义为差异在测量期间采样的最小周期值和最大周期值之间.例如,峰峰值驱动PLL时,抖动非常有用.在这种情况下,可能希望限制瞬时更改的大小在频率上确保下游PLL保持锁定.

图3.逐周期抖动

如图4所示,峰峰值周期抖动是最大时钟周期与最小时钟周期之间的差观察窗口内所有单个时钟周期的时钟周期（通常为1ku或10ku周期）.这是一个非常用于保证数字系统中触发器的建立和保持时间的有用规范.

图4.周期抖动

如图5所示,实际的时间间隔误差（TIE）抖动（也称为累积抖动或相位抖动）在所有时钟周期内偏离理想时钟周期.它包括所有抖动调制频率上的抖动,并且通常用于广域网定时应用中,例如SONET,同步以太网（SyncE）和光传输网络（OTN）.

图5.TIE抖动

直观地看出,逐周期抖动的频率抖动含量很高,因为影响给定时间的时间范围时钟周期的延长不得超过一个时钟周期.同样,似乎周期抖动会产生比TIE（或累积）抖动的高频成分更多.这可以在图6中看到,该图显示了纯均匀,随机,白噪声抖动时钟信号的三种抖动测量的结果.可以看出,TIE抖动在所有频率上都是相同的（白噪声的性质）,而周期抖动和周期抖动显示出不同的程度,即具有更高的高通含量.

图6.逐周期,周期和TIE抖动的频率含量

对于所有类型的抖动,可以采用不同的统计信息.也就是说,均方根（RMS）,峰峰值和其他尽管周期值,周期值和TIE抖动的统计值存在,但某些值的使用更为普遍.每当使用峰峰统计时,需要采集的样本数量必须足够大以确保对测量的信心.通常,此类样本大小为1,000至10,000.

通常希望将RMS抖动值转换为峰峰值,反之亦然.常用方法是使用波峰因数（假设高斯噪声模型）.容许的误码率（BER）值为给定的或假设的,结果波峰因数用于在两者之间进行转换.例如,BER为10-12时,RMS波峰因数为14.因此,抖动为1psRMS的时钟信号将出现峰峰值抖动值为14ps.

4.徘徊

根据定义,石英贴片晶振漂移是指在载波偏移10Hz之内的抖动.如果抖动相对于载波小于10Hz,它被称为流浪.如果它比载波偏离10Hz以上,则称为抖动.稍后将看到,它花费的时间很短带宽PLL以衰减漂移.在大多数系统中,漂移不是问题,因为系统PLL可以轻松实现跟踪低频游荡,使他们能够一起游荡.之间的频率差异段通常不重要,因为它们的先进先出（FIFO）缓冲区可以吸收瞬时差异.由于频率差非常低,因此FIFO不必很深.

但是,漂移会在某些系统上积累,最终漂移会变得足够大,以至于引起问题.图7显示了两个不同的系统.第一个是典型的SONET应用程序,它实现了采用非常低的环路BW PLL的集中式时序,避免了漂移累积.第二个例子是允许漂移累积的同步以太网（SyncE）线路定时应用程序.漂移和抖动可以在级联PLL系统中累积.

图7.外部定时时钟分配

5.时域与频域测量抖动通常是时域项,而相位噪声通常是频域项.但是,这很常见因为这些术语会被宽松地使用,因此有时可以互换使用.从理论上讲完美的测量设备,如果要将载波的相位噪声积分到无穷大的偏移,相位噪声和抖动将具有相同的数值.但是,经过实际测试和实际测试设备,这是根本不可能的,并且两次测量之间始终存在差异.在尽管如此,重要的是要记住,时域和频域方法的测量结果相同现象,即使确切结果取决于测量过程和设备的细节用过的.

大多数用于测量石英晶体振荡器抖动的现代设备都属于两大类之一：时域和频率域.时域设备通常以高速数字示波器的形式出现.单次采样带宽.频域设备通常以频谱分析仪的形式出现,具有相位噪声测量功能的频谱分析仪或相位噪声分析仪.这两个中的每个类别的设备有其优点和缺点. 让我们仔细看看主要区别在这两种测量抖动的方法之间.

时域设备的优点是能够直接测量峰峰值,周期到周期,周期和领带抖动.这种测量方法可以测量非常低频的时钟（或载波）的抖动信号.通过使用FFT和数字滤波器等技术对数据进行后处理,可以集成特定频带上的相位噪声值,以产生RMS相位抖动值.只有时域设备可以测量所有抖动频率分量.另一个关键点是时域设备是在测量与数据有关的抖动方面要好得多,这对于使用以下功能的高速串行链路非常有用串行器/解串器（SERDES）技术.

频域设备无法直接测量峰峰值,周期间或周期抖动,因为本机功能是测量给定频段中信号的RMS功率.频域设备在测量与数据相关的抖动方面也很尴尬.但是,最好的频域仪器具有与最佳时域仪器相比,本底噪声更低.这一事实使频域仪器成为第一个没有数据相关抖动的超低相位噪声时钟信号测量的理想选择.