中心議題：

• 時鍾抖動及測試方法的介紹和探討
• 時鍾抖動的分解
• 時鍾抖動測試注意事項

摘要
在高速互聯鏈路中，發送器的參考工作時鍾的抖動是影響整個係統性能的關鍵因素之一。本文對時鍾抖動的主要概念
、測試方法及注意事項

、測試難點進行分析和探討。

高速互聯鏈路介紹
任何一個通信鏈路都包含三個部分：發送器（TX）、媒質（信道）、接收器（RX）。對於高速的串行互聯鏈路也包含這三個部分，如下圖1所示為一個典型的高速互聯鏈路的結構圖。其中發送器包括了：並行轉換串行、編碼（比如8b10b編碼）、發送信號優化（如預加重）
、發送驅動等功能。接收器包括了：時鍾恢複

、數據恢複
、接收信號優化（如均衡）、串行轉化並行、解碼等功能。傳輸通道則由印刷電路板的走線、過孔、連接器、插卡的金手指、電纜、光纖等組成。

從整個鏈路的組成來看，發送器參考時鍾的抖動在串並轉換時就引入到整個鏈路中，影響著TX端duan發fa送song出chu的de數shu據ju的de抖dou動dong
，而er接jie收shou器qi要yao從cong這zhe些xie數shu據ju中zhong恢hui複fu出chu時shi鍾zhong來lai進jin行xing後hou續xu的de處chu理li。可ke以yi看kan出chu發fa送song器qi參can考kao時shi鍾zhong的de性xing能neng對dui整zheng個ge鏈lian路lu的de性xing能neng起qi到dao很hen關guan鍵jian的de作zuo用yong。本ben文wen從cong時shi鍾zhong抖dou動dong的de相xiang關guan概gai念nian
、測試實例、測試注意事項
、測試難點幾方麵對時鍾抖動測試進行分析和探討。
三種時鍾抖動的定義
，峰峰值與有效值
時鍾抖動通常分為時間間隔誤差（Time Interval Error，簡稱TIE）
，周期抖動（Period Jitter）和相鄰周期抖動（cycle to cycle jitter）三種抖動。 TIE又稱為phase jitter，是信號在電平轉換時，其邊沿與理想時間位置的偏移量。理想時間位置可以從待測試時鍾中恢複，或來自於其他參考時鍾。如圖2所示TIE抖動的示意圖，I1、I2
、I3、In-1、In是時鍾第一個到第n個上升沿與理想時間位置的偏差
，將I1、I2到In進行數理統計，在所有樣本的找出最大值和最小值
，兩者相減可以得到TIE抖動的峰峰值，即： 假設N為測量的樣本總數，抖動的平均值可表示為： 抖動的有效值（即RMS值）為所有樣本的1個Sigma值
，即： 周期抖動（Period Jitter）是多個周期內對時鍾周期的變化進行統計與測量的結果。如圖3所示的P1、P2
、Pn-1、Pn為多個周期內時鍾的周期數值，對這些數值進行數理統計，同理，與TIE抖動的峰峰值和有效值計算方法相同，把P1到Pn中的最大值減去最小值，得到周期抖動的峰峰值，把P1到Pn進行1個Sigma運算
，得到周期抖動的RMS值。

相鄰周期抖動（Cycle to cycle jitter）是時鍾相鄰周期的周期差值進行統計與測量的結果。如圖4所示

，後一時鍾周期減去前一時鍾後作為統計的樣本，C1=P2-P1, C2=P3-P2, Cn-1 = Pn - Pn-1，把C1到Cn－1進行數理統計，同理
，可以計算出Cycle to cycle jitter的峰峰值和RMS值。 在上述三種常見的時鍾抖動中，對於串行總線，通常是測量TIE抖動，比如高速收發器TX端的參考時鍾。對於並行電路，通常是測量其時鍾的周期抖動和相鄰周期抖動
，比如DDR SDRAM、PC主板上的FSB等等。

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在圖2
、圖3
、圖4中的紅色曲線橫軸是時間，縱軸是對應周期的抖動數值，該曲線反映了抖動隨時間變化的趨勢，稱為抖動跟蹤（Jitter track）；將每個周期的抖動值（比如TIE抖動的I1、I2…In）作統計直方圖
，可以得到抖動直方圖（Jitter Histogram）；將抖動跟蹤做快速傅立葉變換（FFT）計算可以得到抖動頻譜（Jitter Spectrum）。

doudonggenzongshidoudongzaishiyudebiaoxianxingshi
，doudongpinpushidoudongzaipinyudebiaoxianxingshi，doudongzhifangtushidoudongzaitongjiyudebiaoxianxingshi。gezhongceshiyiqihefenxiruanjianduiyudoudongdecelianghefenxidoushizaizhesangeyuzhongshixiande。

如下圖5為某100MHz時鍾在時域、頻域、統計域分析其TIE抖動的示意圖。左上角的F2為某100MHz時鍾，P1是時鍾的TIE參數測量
；右上角的F3是TIE抖動的直方圖
，直方圖不是高斯分布，可見時鍾存在固有抖動。 左下角的F4為TIE track（即TIE抖動隨時間變化的趨勢）
，從TIE Track中可以看到周期性的變化趨勢；右下角的F5是F4的FFT運算，即抖動的頻譜，頻譜的峰值頻率為515kHz，說明該時鍾的周期性抖動（PJ）的主要來源為515kHz

，找到頻點後，可以查找電路板上主頻或諧波為該頻率的芯片和PCB走線
，進一步調試與分析。

時鍾抖動的分解
時鍾抖動的峰峰值和RMS值僅反映了抖動在統計上的數值，並沒有分析抖動的來源。對於時鍾抖動分解，業內通常把抖動分解為：總體抖動 （TJ）、確定性抖動（DJ）、隨機抖動（RJ）
、周期性抖動（PJ）、占空比失真（DCD）等等。如下圖6所示為各種抖動的關係圖。 TJ及其各種成分，都是針對TIE的。如前文所說，TIE反映了被測時鍾與理想時鍾的偏差。TIE抖動的峰峰值為隨著測試樣本數的增加不斷增大（隨機抖動因素引起的）
，TJ是和誤碼率聯係起來的
，通常誤碼率為10E-12，即通常所說的TJ是10的12次方個樣本的TIE抖動的峰峰值。TJ包括了RJ和DJ，而DJ包括了PJ

、DCD、BUJ（其它有界的數據不相關性抖動）。對於單邊沿來同步與定時的時鍾
，DCD不算做抖動（當然，絕大多數時鍾都隻用其上升沿）。

RJ會隨著樣本數的增多不斷增大，其直方圖滿足高斯分布
，通常用其統計後的1個Sigma或RMS值來表示，在抖動測試儀器中得到的RJ通常為RMS值。隨機抖動的來源為熱噪聲、Shot Noise和Flick Noise，與電子器件和半導體器件的電子和空穴特性有關，比如ECL工藝的PLL比TTL和CMOS工藝的PLL有更小的隨機抖動。

DJ是有邊界的、確定性的抖動，來源為：開關電源噪聲、串擾、電磁幹擾等等，與電路的設計有關
，可以通過優化設計來改善，比如選擇合適的電源濾波方案、合理的PCB布局和布線。

在抖動頻譜中，RJ是頻譜的基底部分
，而DJ是抖動頻譜中的尖峰部分。很多測試儀器都是從抖動頻譜來分解抖動的。

時鍾抖動測試注意事項
在時鍾抖動測試中，有以下要點：

1
， 選擇合適帶寬：為了準確測量到時鍾的邊沿
，通常，示波器的帶寬在時鍾頻率的5倍以上

，對於某些邊沿很快的時鍾，甚至需要儀器帶寬大於10倍時鍾主頻。

2
， 選擇合適測試點：youyushizhonglianlukenengshiyonglegezhongduanjiecelvehuozhexingxingtuopujiegou
，zaifasongduantanceshizhongkenengmeiyoutaidadecankaoyiyi
，tongchangshizaishizhonglianludekaojinjieshouduanchutancehefenxi。

3， 保證地線盡量短：探頭的地線較長時，引入的寄生電感可能導致測量到的波形失真
，較長的地線構成的信號環路也更容易受到電磁幹擾。

4
， 信號幅度盡量占滿整個屏幕：示波器的ADC隻有8個比特的分辨率
，必須讓信號幅度盡量占滿示波器的整個屏幕才可以保證足夠的測試精度。

5， 固定到合適的采樣率：使用合適的采樣率，保證在時鍾的邊沿采集到足夠的采樣點。

6， 抓取足夠的時鍾周期：對於有較低頻率的PJ的時鍾，需要捕獲足夠長的時間才能找到該時鍾的抖動來源。

時鍾抖動評估中的難點
在目前通信設備的時鍾的測試分析中，存在的問題為：芯片
、設備、測試儀器廠商對時鍾抖動指標的含義定義不一致。比如有的芯片廠商直接給出抖動的pk-pk值，而沒有指明是那種抖動要求。芯片廠商給出的名稱與測試儀器廠商的名稱一致，但實際描述的含義卻不一致。

有的芯片廠商對時鍾抖動指標要求不嚴謹；有(you)的(de)芯(xin)片(pian)廠(chang)商(shang)給(gei)出(chu)的(de)時(shi)鍾(zhong)抖(dou)動(dong)的(de)指(zhi)標(biao)要(yao)求(qiu)比(bi)較(jiao)隨(sui)意(yi)，指(zhi)標(biao)的(de)給(gei)出(chu)沒(mei)有(you)相(xiang)應(ying)的(de)根(gen)據(ju)。這(zhe)些(xie)原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)近(jin)十(shi)年(nian)來(lai)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)的(de)運(yun)行(xing)速(su)度(du)和(he)時(shi)鍾(zhong)頻(pin)率(lv)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)，而(er)抖(dou)動(dong)的(de)知(zhi)識(shi)也(ye)在(zai)不(bu)斷(duan)完(wan)善(shan)與(yu)理(li)論(lun)化(hua)，而(er)某(mou)些(xie)芯(xin)片(pian)廠(chang)商(shang)的(de)文(wen)檔(dang)對(dui)於(yu)抖(dou)動(dong)的(de)定(ding)義(yi)不(bu)規(gui)範(fan)
，給(gei)時(shi)鍾(zhong)性(xing)能(neng)的(de)評(ping)估(gu)帶(dai)來(lai)一(yi)定(ding)的(de)困(kun)難(nan)，這(zhe)些(xie)需(xu)要(yao)各(ge)自(zi)的(de)積(ji)累(lei)來(lai)進(jin)行(xing)評(ping)估(gu)。

結語
高速鏈路是各電子設備以後重要的組成部分，其設計、性能分析和評估都是熱門的話題。本文僅對時鍾抖動的基本概念和測試進行相關的探討，而抖動各成分的分離技術、時鍾抖動在時域和頻域表現及他們的關係、抖動的來源、抖動的改善、抖動在不同應用場景下對係統的影響都是電路設計與測試工程師需要深入研究的內容。

參考文獻
1， 《jitter slides》----力科
2
， 《Jitter, Noise, and Signal Integrity at High-Speed》---Mike Peng Li