信號完整性分析基礎系列之四--串行數據系統抖動基礎
加入技術交流群
D觸發器觸發直流電平示例（時鐘上升沿觸發）：
圖5 D觸發器接收無翻轉電平信號
可見，當輸入觸發器的電平沒有翻轉時，觸發器能穩定的恢復出輸入信號。
D觸發器觸發脈沖信號示例（時鐘上升沿觸發）：
圖6 D觸發器接收翻轉的電平信號（如果時鐘和數據之間的相對抖動偏差太大，將會導致圖示D觸發器輸出信號的邏輯翻轉錯誤或者不穩定）
當數據信號的電平發生翻轉后，時鐘邊沿與數據邊沿需要一定的建立時間來鎖存數據；同時，數據信號的電平需要一定的保持時間讓時鐘能穩定的鎖存數據。為了讓建立時間和保持時間最大化，時鐘最好能出現在數據比特位的中央。但是由于數據或者時鐘存在抖動，抖動較大時，無法滿足建立時間和保持時間的要求，D觸發器可能輸出錯誤的數據，產生誤碼。特別是在高速數字電路中，速率的增加導致建立時間和保持時間的余量越來越小，由于抖動產生誤碼的概率越來越高，所以，時鐘和數據的抖動測試非常重要。
二、抖動的基本概念
抖動的定義為信號在電平轉換時，其邊沿與理想時間位置的偏移量。抖動比較大時可能出現：并行總線的建立保持時間余量不夠、時鐘穩定度差、串行信號接收端誤碼率高等現象。
圖7理想數字信號和實際數字信號的差別
研究串行數據系統的抖動主要是研究時鐘與串行數據的相對抖動，而不是單純的指時鐘抖動或者數據抖動。也就是說即使時鐘有很大的抖動，但是只要數據也存在同樣大的抖動，則兩者之間的相對抖動仍舊很小，時鐘和數據之間的建立時間和保持時間也仍舊能夠得到保證。如下圖所示：
圖8串行數據系統中研究數據和時鐘之間的相對抖動才是最重要的，目標是使得數據信號和時鐘信號同相位
當帶有抖動的數據信號與帶有抖動的時鐘信號出現較大的相位偏差時，系統即有可能出現建立時間、保持時間不夠，出現誤碼等情況；這個偏差叫做串行數據的時間間隔誤差（TIE，time interval error）。每一個時鐘邊沿和數據邊沿都會有一個時間間隔誤差，那么我們需要關注哪一個邊沿的TIE呢？還是關注一段時間內（一定的波形數量）所有波形邊沿的TIE的累積效果呢？需要多少波形數據統計運算得到的TIE才符合要求呢？搞清楚這幾個問題需要了解下串行數據系統中經常用到的另外一個概念：誤碼率（BER，bit error rate）
三、串行數據系統中誤碼率的概念
由于串行數據系統需要在一給定的時間內發送或者傳輸許多位的數據，因此衡量系統的整體性能通常由在一段時間內或者一定數量的數據進行衡量，即發送端發送一定量的數據，在接收端接收到的數據中出現錯誤位的比率，也叫做誤碼率。大部分的串行數據標準要求，發送端發送10e+12個誤碼，在接收端出現誤碼的比率不能多于一個，也就是誤碼率為10e-12，相對應的要求在此誤碼率下抖動不能超過一定的值。而示波器累積10e+12個誤碼，可能需要數天的時間，因此示波器在分析誤碼率抖動時通常需要用到統計分析、外推等抖動算法。
圖9 1000M以太網標準對抖動的要求
四、抖動的來源
產生抖動的原因有多種，從元器件來看分為intrinsic抖動與nonintrinsic抖動兩種，前者是與電子器件和半導體器件的電子和空穴特性有關，后者與電路的設計有關，可以通過優化設計來改善。前者產生的抖動稱為隨機抖動（Random Jitter，簡稱Rj），后者產生的抖動稱為固有抖動（Deterministic jitter）。隨機抖動的來源為熱噪聲、Shot Noise和Flick Noise。固定抖動的來源為：開關電源噪聲、反射、串擾、電磁干擾等等。在后續專門介紹隨機抖動和固有抖動的文章中將詳細介紹。
評論