數字工程師需要了解些射頻知識？－之四：抖動分析

實際信號的很復雜，可能既有隨機抖動成分（RJ），也有不同頻率的確定性抖動成分（DJ）。確定性抖動可能由于碼間干擾或一些周期性干擾引起，而隨機抖動很大一部分來源于信號上的噪聲。下圖反映的是一個帶噪聲的數字信號及其判決閾值。一般我們把數字信號超過閾值的狀態判決為“1”，把低于閾值的狀態判決為“0”，由于信號的上升沿不是無限陡的，所以垂直的幅度噪聲就會造成信號過閾值點時刻的左右變化，這就是由于噪聲造成信號抖動的原因。

要進行信號抖動的分析，最常用的工具是寬帶示波器配合上響應的抖動分析軟件。示波器里的抖動分析軟件可以方便地對抖動的大小和各種成分進行分解，但是示波器由于噪聲和測量方法的限制，很難對亞ps級的抖動進行精確測量。現在很多高速芯片對時鐘的抖動要求都在1ps以下甚至更低。這就需要借助于其它的測量方法比如相位噪聲（phase noise）的測量方法。

我們知道抖動是時間上的偏差，它也可以理解成時鐘相位的變化，這就是相位噪聲。對于時鐘信號，我們觀察其基波的頻譜分布。理想的時鐘信號其基波的頻譜應該是一根很窄的譜線，但實際上由于相位噪聲的存在，其譜線是比較寬的一個包絡，這個包絡越窄，說明相位噪聲（抖動）越小，信號越接近理想信號。下圖是一個真實時鐘信號的頻譜，信號的基波在2.5GHz，我們觀察2.5GHz附近10MHz帶寬的頻譜。我們可以看到首先信號的頻譜不是一根很窄的譜線，其譜線有展寬（隨機噪聲的影響），其次上面疊加的還有一些特定頻率的干擾（確定性抖動的影響）。

為了更方便觀察低頻的干擾，在相位噪聲測量中通常會以信號的載波頻率為起點，把橫坐標用對數顯示，其橫坐標反映的是離信號載波頻率的遠近，縱坐標反映的是相應頻點的能量和信號載波能量的比值。這個比值越小，說明除了載波以外其它頻率成分的能量越小，信號越純凈。要進行時鐘信號的相位噪聲精確測量使用的儀器是信號源分析儀，信號源分析內部有特殊的電路，通過兩個獨立本振的多次相關處理可以把自身本振的相位噪聲壓得非常低，從而可以進行精確的相位噪聲測量。

對于很多晶振產生的時鐘來說，其抖動中的主要成分是隨機抖動。如果我們把相位噪聲測試結果里不同頻率成分的相位噪聲能量進行積分的話，我們就能夠得到隨機抖動。通過信號源分析儀對相位噪聲測量然后對一定帶寬內的能量進行積分，我們就可以得到精確的隨機抖動測量結果。信號源分析儀能測量到的最小抖動可以到fs級。