完美的時序：用抖動與相位噪聲測量做時鐘分頻

當測量超低抖動的器件與設備時，工程師們必須時刻問一個問題：測得的值是來自DUT(待測設備)，還是來自測試設備。工程師們也總在尋找一些能擴展手頭設備能力的方法。本文描述了一些實用的方式，用于將較高頻率VCO(壓控振蕩器)的時鐘信號做分頻處理。

大多數(shù)用于測量抖動的現(xiàn)代設備都可以劃分到兩大類中的一個：時域或頻域。時域設備通常是一種高速數(shù)字示波器的形式，有高的單次采樣帶寬。頻域設備一般的形式是頻譜分析儀、帶相位噪聲測量功能的頻譜分析儀，或相位噪聲分析儀。這兩大類中，每一類設備都有自己的優(yōu)點與缺點。不過，它們測量的都是相同現(xiàn)象，只是采用不同方法。

逐周期的峰值抖動是在一個固定數(shù)量周期內(nèi)(一般是1000個或10000個)，逐個相鄰周期之間的最大差值。當需要限制頻率上的突變大小時，就需要使用它。例如，當驅(qū)動一個PLL(鎖相環(huán))時，可能希望限制頻率中的瞬時變化大小，以確保下游PLL保持鎖定(圖1)。

峰峰周期抖動是在某個觀測窗內(nèi)(同樣，一般是1000個或10000個周期)，所有時鐘周期中最大時鐘周期與最小時鐘周期之間的差值(圖2)。這是一個確保數(shù)字系統(tǒng)中觸發(fā)器建立與保持時間的有用規(guī)格。“峰峰”的意思是指一次測量中，最小和最大采樣周期值之間的差值。

TIE(時間間隔誤差)抖動(或叫累積抖動，也叫相位抖動)是在所有時鐘周期上與理想時鐘周期的實際偏差(圖3)。它包括了在所有抖動調(diào)制頻率上的抖動，通常用于WAN(廣域網(wǎng)絡)的時序應用，如SONET(同步光網(wǎng)絡)、同步以太網(wǎng)，以及OTN(光傳送網(wǎng)絡)。

可以建立各種類型的抖動統(tǒng)計，如rms(均方根)、峰峰、逐周期、周期，以及TIE抖動，不過有些更常用。當采用峰峰統(tǒng)計方法時，采樣數(shù)必須足夠大，才能提供可信的測量。這種測量通常要包含1000至10000個采樣。

時域設備可以直接測量峰峰、逐周期、周期以及TIE抖動。這種測量方案能夠用于測量低頻時鐘或載波信號的抖動。在數(shù)據(jù)后處理時采用FFT(快速傅里葉變換)、數(shù)字濾波器以及其它技術，就可以對一個頻率段上的相位噪聲值做積分，生成rms相位抖動值。時域設備在測量數(shù)據(jù)相關抖動時優(yōu)于頻域系統(tǒng)，因此可用于具有SERDES(串行器/解串器)技術的高速串行鏈接。

頻域設備無法直接測量峰峰、逐周期或周期的抖動；它原生的能力是測量一個給定頻段上某信號的rms功能。頻域設備還難以測量與數(shù)據(jù)相關的抖動。然而，高質(zhì)量頻域儀器的本底噪聲低于時域設備，因此，對于沒有數(shù)據(jù)相關抖動的超低相位噪聲時鐘信號測量，頻域設備就是最好選擇(表1)。

由于本文的中心是低抖動時鐘信號的測量問題，因此省略了對時域設備的進一步討論，只是提示大家，在從一種抖動測量轉(zhuǎn)到另一種測量時，可以采用各種數(shù)學估算與變換方法。例如，用一個波峰因數(shù)和所需要的BER(誤碼率)，就可以在峰峰與rms抖動之間來回換算。另一個例子是用一個時域數(shù)據(jù)的FFT，提供頻域信息與濾波。不過，多數(shù)這類技術都要依賴于數(shù)學模型，這些模型可能在多數(shù)情況下有很好的近似，但有局限。因此，只能特別小心地使用它們。

有一個值得進一步研究的問題是時鐘(或載波)頻率對抖動測量的影響。直覺上，由一個理想分頻器切分的時鐘信號在其輸入與輸出端都有相同的時鐘沿抖動(圖4)。在圖4中，上方頻率為FO的抖動信號通過一個完美分頻器除以2，產(chǎn)生一個FO/2的時鐘頻率。兩個信號有相同的抖動JO。注意，較低時鐘信號的抖動能量是較高時鐘信號的一半，因為在給定的時間間隔內(nèi)，其邊沿減半。

圖4，直覺上，一個理想分頻器對一個時鐘信號分頻后，分頻器前后有相同的時鐘沿抖動。

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