高速通信和測(cè)量系統(tǒng)的不斷進(jìn)步需要系統(tǒng)時(shí)鐘和參考的更高性能水平。過(guò)去可接受的性能可能不足以支持高速同步設(shè)備。也許最重要和最不被理解的時(shí)鐘性能測(cè)量是抖動(dòng)。 

這次討論的目的有四個(gè)。
1. 直觀地定義抖動(dòng)，并討論它的屬性。
2. 解釋抖動(dòng)如何降低系統(tǒng)性能。
3. 描述測(cè)量抖動(dòng)的各種實(shí)用方法，包括每種方法的相關(guān)性和易用性。
4. 提供指定高速時(shí)鐘和相關(guān)設(shè)備的指南。
抖動(dòng)定義：
o 抖動(dòng)：“數(shù)字信號(hào)從其理想位置及時(shí)的重要瞬間的短期變化”（ITU）。
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中的預(yù)期邊緣永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)在所需的位置。定義和測(cè)量這些邊沿的定時(shí)精度（抖動(dòng)）對(duì)于同步通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。 

具有抖動(dòng)邊緣的數(shù)字波形 
 
圖1 

術(shù)語(yǔ)的定義： 
a. 以單位間隔表示的抖動(dòng)：?jiǎn)蝹€(gè)單位間隔是時(shí)鐘頻率的一個(gè)周期。這是標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)鐘周期。以單位間隔表示的抖動(dòng)將抖動(dòng)的大小描述為一個(gè)單位間隔的小數(shù)部分。
b. 以度（度）表示的抖動(dòng)：以度表示的抖動(dòng)以度為單位描述抖動(dòng)的幅度。其中一個(gè)周期等于360度。
c. 以絕對(duì)時(shí)間表示的抖動(dòng)：以時(shí)間單位表示的抖動(dòng)以適當(dāng)?shù)臄?shù)量級(jí)（通常為皮秒）描述抖動(dòng)的幅度。
d. 表示為功率測(cè)量的抖動(dòng)以弧度或單位間隔平方為單位進(jìn)行描述。通常以dB為單位表示相對(duì)于一個(gè)周期平方 （來(lái)自Bellamy） [1]
e. 模式抖動(dòng)：模式相關(guān)的抖動(dòng)。有時(shí)也稱為翻邊。本質(zhì)上不隨意。一般是次諧波的結(jié)果。在時(shí)域中查看時(shí)，它被視為多種抖動(dòng)模式。模式抖動(dòng)是確定性的，這是一種可歸因于獨(dú)特源的現(xiàn)象。本討論中提到的所有其他抖動(dòng)本質(zhì)上是隨機(jī)的，并且可能僅被描述為關(guān)于時(shí)間的隨機(jī)變量。
例如： 
假設(shè)時(shí)鐘晶體振蕩器速率為155.52 MHz。一個(gè)單位間隔將等于信號(hào)的周期，1 / 155.52MHz = 6.43nsec。= 360度 
假設(shè)100 ps Pk-Pk的抖動(dòng)。
100 Ps的抖動(dòng)= .01555單位間隔（UI）的抖動(dòng)= 5.598度。抖動(dòng) （所有Pk-Pk）所有三個(gè)測(cè)量都描述了相同的抖動(dòng)量。 
對(duì)于抖動(dòng)功率，使用rms（一個(gè)sigma ）測(cè)量。對(duì)于上述情況，我們將Pk-Pk近似為RMS值的7 或7倍，放置有效值。抖動(dòng)功率為.0000049 UI ²。{（。01555/7）²。以dB表示，相對(duì)于一個(gè)單位間隔，在這種情況下的抖動(dòng)功率將是10log（.0000049）= -53.1dB ui。如稍后將看到的，可以從功率譜密度（相位噪聲）測(cè)量導(dǎo)出抖動(dòng)。表1涉及155.52 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘中各種抖動(dòng)測(cè)量。

Pk-Pk抖動(dòng)秒	學(xué)位	單位間隔	單位間隔	抖動(dòng)功率
6.43E-09 =一個(gè)周期	學(xué)位（Pk-Pk）	Pk-Pk單位	RMS單位	dBui
	標(biāo)準(zhǔn)化	標(biāo)準(zhǔn)化	標(biāo)準(zhǔn)化
1.00E-10	5.60	0.015552	0.0022217	-53.07
2.00E-11	1.12	0.003110	0.0004443	-67.05
			（Pk-Pk的1/7
			近似）

表1 
抖動(dòng)帶寬和頻譜內(nèi)容 
圖1中邊緣的位移是噪聲的結(jié)果。噪聲具有光譜含量和功率。因此，圖1中的邊緣抖動(dòng)也具有頻譜內(nèi)容。圖1中的邊緣隨時(shí)間隨機(jī)變化，但導(dǎo)致抖動(dòng)的噪聲在所有頻率上不一定均勻。由于100 kHz噪聲，10 kHz噪聲引起的抖動(dòng)可能大于或小于抖動(dòng)。時(shí)鐘抖動(dòng)的頻譜內(nèi)容根據(jù)用于生成時(shí)鐘的技術(shù)而有很大差異。測(cè)量的抖動(dòng)也隨測(cè)量技術(shù)和抖動(dòng)帶寬而變化。指定或測(cè)量的抖動(dòng)不正確可能導(dǎo)致不必要的成本或系統(tǒng)性能不佳。參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2,3]有關(guān)定義和指定電信系統(tǒng)中抖動(dòng)的其他信息。各種時(shí)鐘源的抖動(dòng)特性將在本文后面討論。 

抖動(dòng)如何影響系統(tǒng)性能 
抖動(dòng)對(duì)通信系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本討論的范圍。有關(guān)更徹底的治療，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)[1,4]。簡(jiǎn)單的討論可能有助于理解數(shù)字系統(tǒng)中抖動(dòng)的有害影響。
通過(guò)同步通信系統(tǒng)傳輸?shù)拿恳晃粩?shù)據(jù)都在接收器處對(duì)其值進(jìn)行采樣。采樣數(shù)據(jù)只能具有邏輯1或0的值。采樣數(shù)據(jù)的最佳點(diǎn)位于每個(gè)發(fā)送時(shí)鐘周期的中心。為了執(zhí)行此功能，接收器將其自己的時(shí)鐘與用于傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)鐘對(duì)齊。圖2，a，b和c分別表示理想的，典型的和損壞的數(shù)據(jù)流。通常稱為“眼圖”，每個(gè)圖是由于噪聲或抖動(dòng)引起的邊緣放置的累積圖形畫(huà)像。理想情況下，采樣發(fā)生在“眼睛”的中心。隨著邊緣抖動(dòng)的增加，明顯的眼睛開(kāi)始閉合。結(jié)果，出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性，即.... 將邏輯1誤認(rèn)為是零的可能性更大。石英晶體振蕩器噪聲引起的抖動(dòng)只是電信系統(tǒng)抖動(dòng)的一個(gè)來(lái)源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮電信系統(tǒng)中的許多噪聲源。時(shí)鐘源引入的抖動(dòng)是噪聲的一個(gè)組成部分，只能成為“誤差預(yù)算”的一部分，必須根據(jù)性能要求和成本進(jìn)行權(quán)衡。


測(cè)量技術(shù) 

時(shí)域測(cè)量 
使用延遲線的邊緣到邊緣抖動(dòng) 
時(shí)鐘抖動(dòng)的真正衡量標(biāo)準(zhǔn)是時(shí)鐘邊沿隨時(shí)間的精確位置。檢查邊緣位置的最直接方法是使用示波器觀察邊緣。遺憾的是，使用標(biāo)準(zhǔn)示波器技術(shù)無(wú)法在絕對(duì)時(shí)間內(nèi)識(shí)別各個(gè)時(shí)鐘邊沿。使用標(biāo)準(zhǔn)示波器測(cè)量的任何抖動(dòng)都是由于觸發(fā)不穩(wěn)定造成的。因此，使用示波器（即使是非常好的示波器）進(jìn)行直接波形測(cè)量也不是有效的抖動(dòng)測(cè)量。另一種技術(shù)用于定位參考邊緣，與時(shí)間進(jìn)行區(qū)分，并檢查后續(xù)邊緣上的抖動(dòng)。圖3以典型配置說(shuō)明了這種方法。 


　　被測(cè)單元的輸出被饋入分路器/延遲線。分路器的非延遲輸出被饋送到示波器的外部觸發(fā)輸入（在這種情況下為CSA-803）。DL-11的延遲輸出連接到示波器的輸入。通過(guò)在觸發(fā)器之后一次檢查時(shí)鐘流等于所使用的延遲（在這種情況下，47納秒），觸發(fā)邊緣被定位。在識(shí)別出觸發(fā)邊緣之后，檢查下一個(gè)邊緣。然后產(chǎn)生測(cè)量的第二邊緣抖動(dòng)的直方圖。 

CSA-803用于其統(tǒng)計(jì)和直方圖功能。這是一種有用的技術(shù)，受延遲線的長(zhǎng)度和示波器的速度/靈敏度的限制。適用于大于1 /（2d），測(cè)量受示波器噪聲的限制。低于1 /（2d），靈敏度下降約2??0 dB / decade。對(duì)于圖3中所示的47nsec延遲，轉(zhuǎn)角頻率出現(xiàn)在3.3MHz。使用CSA-803可以將3.3 MHz以上頻率引起的所有抖動(dòng)分解為大約5 ps。330 kHz時(shí)的抖動(dòng)無(wú)法在50 ps以下解析。以類似的方式，在500 ps以下無(wú)法測(cè)量33 kHz的抖動(dòng)。圖4是使用47納秒延遲線的RMS抖動(dòng)靈敏度圖。了解此測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性至關(guān)重要。對(duì)于給出的數(shù)值示例，將不會(huì)看到低于300 kHz的低頻抖動(dòng)。相反，可以很容易地識(shí)別由邊帶3.0 MHz偏移或更多引起的抖動(dòng)。當(dāng)測(cè)量采用直接倍頻的振蕩器或不考慮低頻抖動(dòng)時(shí)，該測(cè)試方法是合適的。（參見(jiàn)模式抖動(dòng)的先前描述）。 


Sens（f）=      其中：
Sens（f）=抖動(dòng)靈敏度
d =使用的延遲量
f =要測(cè)量的抖動(dòng)頻率
r =示波器分辨率
圖4 

使用鎖相環(huán)的抖動(dòng)測(cè)量 

值得注意的是延遲的長(zhǎng)度測(cè)量邊緣抖動(dòng)時(shí)，線路限制分辨率。為了測(cè)量低于100Hz偏移的抖動(dòng)，人們只需要訂購(gòu)大約三百英里的極低損耗延遲線。代替這種裝置，鎖相環(huán)用于各種噪聲測(cè)量。 


圖4顯示了用于測(cè)量時(shí)鐘源噪聲的鎖相環(huán)（PLL）的基本元件。 Gardner [5]， Best [6]和 Woolover [7]是理解PLL的三個(gè)很好的參考。一些關(guān)鍵循環(huán)要求如下：
o PLL環(huán)路帶寬是成功測(cè)量的關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)僅測(cè)量環(huán)路帶寬之外（高于）環(huán)路帶寬的抖動(dòng)頻率。建議將環(huán)路帶寬設(shè)置為最感興趣的最低抖動(dòng)頻率的1/10。
o 環(huán)路阻尼必須設(shè)置為至少5，以減少PLL中的抖動(dòng)峰值。抖動(dòng)峰值會(huì)增加測(cè)量的抖動(dòng)。
o 測(cè)量濾波器對(duì)應(yīng)于Bellcore和ITU規(guī)范中建議的抖動(dòng)帶寬。有關(guān)抖動(dòng)帶寬和規(guī)格的列表，請(qǐng)參閱[2,3]。頻帶限制需要定義為任何有效測(cè)量的前提條件。
o 相位檢測(cè)器（PD）的輸出是變化的DC信號(hào)，其與由于抖動(dòng)引起的變化相位成比例。有必要知道以伏特/弧度為單位的PD的增益常數(shù)（Kd），以便量化檢測(cè)到的抖動(dòng)。例如，對(duì)于具有10度的振蕩器，Kd等于1毫伏/度的相位檢測(cè)器將具有10mV的峰峰值輸出。Pk-Pk抖動(dòng)。可能需要注入已知量的抖動(dòng)以校準(zhǔn)系統(tǒng)以進(jìn)行精確測(cè)量。
使用鎖相環(huán)的抖動(dòng)測(cè)量

：解釋數(shù)據(jù)。
o 在時(shí)域中，圖5中相位檢測(cè)器的輸出信號(hào)包含有關(guān)測(cè)量時(shí)鐘抖動(dòng)的大量信息。使用示波器直接檢查信號(hào)可以顯示Pk-Pk抖動(dòng)。真正的RMS電壓表可用于測(cè)量RMS（一個(gè)西格瑪）抖動(dòng)。對(duì)于這些測(cè)量，使用的測(cè)量濾波器代表感興趣的抖動(dòng)頻率帶是至關(guān)重要的。當(dāng)需要10 kHz至1 MHz的帶寬時(shí)，測(cè)量直流至10 MHz的噪聲是沒(méi)有意義的。具有直方圖和統(tǒng)計(jì)功能的示波器可用于表征測(cè)量的抖動(dòng)。
o 在頻域中，來(lái)自圖4中的相位檢測(cè)器的輸出信號(hào)的頻譜表示頻域中的頻譜和抖動(dòng)的相對(duì)幅度。使用低頻或FFT分析儀檢查頻譜，可以在頻譜方面提供最直觀的時(shí)鐘抖動(dòng)圖。通過(guò)在所關(guān)注的頻率上積分信號(hào)抖動(dòng)頻譜，可以導(dǎo)出時(shí)鐘的RMS抖動(dòng)。這是用于表征抖動(dòng)的最準(zhǔn)確且最不幸的方法，需要專門(mén)的測(cè)試設(shè)備。數(shù)字示例如下所示，并包含在 附錄A中。

指定抖動(dòng)性能
只要符合以下條件，良好的抖動(dòng)性能和低成本并不相互排斥：
o 抖動(dòng)的系統(tǒng)要求根據(jù)幅度和頻譜來(lái)定義。
o 用于生成時(shí)鐘輸出頻率的方法對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)是最佳的。

系統(tǒng)要求： 
雖然無(wú)法解決所有可能的變化，但基于多年振蕩器制造的一些一般性建議可能會(huì)有所幫助。 
雖然不是對(duì)所有應(yīng)用的完整調(diào)查，但表1是指定振蕩器性能的起點(diǎn)。高于1 kHz的抖動(dòng)被認(rèn)為是高頻抖動(dòng)。 

應(yīng)用性能要求

系統(tǒng)應(yīng)用	難度	低頻率	高頻	可能
		抖動(dòng)重要性	抖動(dòng)重要性	類型
				看看 表2
雷達(dá)	非常困難的噪音應(yīng)用	危急	危急	A B C D
超聲/ MRI	非常困難的噪音應(yīng)用	危急	危急	A B C D
導(dǎo)航/ GPS	難以應(yīng)用的噪音	危急	高	A B C D
傳輸系統(tǒng)（電信）
公共網(wǎng)絡(luò)	中等噪聲應(yīng)用	中等	中等	A B C D
專用網(wǎng)絡(luò)（LAN）	通常最簡(jiǎn)單的應(yīng)用	低	低	A，B，F(xiàn)
頻率合成（見(jiàn)注1）
低頻率 參考		中度嚴(yán)重	中度低	A，B，C
高頻源		中度低	中度嚴(yán)重	D，E，F(xiàn)

表1 
注1：總體抖動(dòng)性能高度依賴于環(huán)路參數(shù)。 

時(shí)鐘產(chǎn)生： 
可以采用各種方法來(lái)產(chǎn)生高頻時(shí)鐘。
根據(jù)所使用的技術(shù)，性能可能會(huì)有很大差異。低于20 MHz，可以假設(shè)直接晶體頻率產(chǎn)生對(duì)于除最關(guān)鍵要求之外的所有要求都是足夠的。對(duì)于20 MHz及以上的低抖動(dòng)應(yīng)用，應(yīng)考慮低噪聲選項(xiàng)。表2可用作選擇具有成本效益的解決方案的起點(diǎn)。表2中列出的方法的變化和組合也可以是最佳解決方案。 

抖動(dòng)性能

技術(shù)	成本	LF抖動(dòng)	高頻抖動(dòng)	評(píng)論	類型
	1是最低的	1是最好的	1是最好的
	3是最高的	3是最糟糕的	3是最糟糕的
直接時(shí)鐘/ TCXO	1	2	1或2	非常好的抖動(dòng)	一個(gè)
直接VCXO	2	1	1或2	非常好的抖動(dòng)	乙
直接烤箱	3	1	1	優(yōu)秀的抖動(dòng)	C
調(diào)諧乘法	2	1	1或2	周期性抖動(dòng)	d
離散PLL	2	2	2或3	好抖動(dòng)	Ë
單片PLL	1	3	2或3	關(guān)閉抖動(dòng)很差	F

表2 

結(jié)論 
為了正確指定頻率源的性能，應(yīng)考慮抖動(dòng)頻率和幅度。這需要了解抖動(dòng)，測(cè)量技術(shù)及其局限性。花在確定系統(tǒng)需求上的時(shí)間將減少問(wèn)題，并減少以后修復(fù)這些問(wèn)題的時(shí)間。它還將為每種應(yīng)用確定一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。 
在本文中，我們討論了抖動(dòng)的定義，用于描述抖動(dòng)的單位，以及為什么抖動(dòng)是一個(gè)重要參數(shù)。我們還回顧了用于測(cè)量抖動(dòng)的技術(shù)，以及基于各種振蕩器的應(yīng)用和典型性能。討論絕不是完整的，但應(yīng)該給讀者足夠的信息來(lái)理解所涉及的問(wèn)題。列出了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及進(jìn)一步閱讀的參考資料。希望本文有用，并被認(rèn)為是理解和指定抖動(dòng)的良好起點(diǎn)。