（信号与信息处理专业论文）时钟信号抖动的测试.pdf

电子科技大学硕士论文 a bstract i n d i g i t a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m， j i tt e r i s o n e o f t h e l e a s t u n d e r s t o o d b u t m o s t i m p o r t a n t p h e n o m e n a s ， wi t h h i g h e r a n d h i g h e r fr e q u e n c y i n d i g i t a l s y s t e m， t h e j i tt e r i m p a c t i s m o r e a n d m o r e s e v e r e . i t s u r g e n t t o m e as u r e j i tt e r a c c u r a t e l y . i n th e th e s is ， th e d e fin 4 tio n o f j itt e r a n d its im p a c t o n th e d ig it a l s y s te m s a r e e x p l a in e d， t h e j itt e r m e a s u r i n g m e t h o d s in c l u d i n g d i g it a l m e t h o d a n d a n a l o g m e t h o d a r e a n a l y z e d. t h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a r e c o m p a r e d . s o m e s t a n d a r d s o f i n t e rn a t i o n a l t e l e c o m u n i c a t i o n u n i o n ( i t u ) a b o u t j i tt e r m e as u r i n g a r e p r e s e n t e d. b ase d o n a l l t h e s e a b o v e， t w o s c h e m e s w h i c h u s e d i g i t a l m e t h o d s t o m e as u r e t h e j i tt e r o f a p l l c l o c k o f 2 . 0 4 8 mh z a r e p r e s e n t e d a n d a c c o m p l i s h e d . t h e f i r s t s c h e m e u s e s a d s p c h i p t o p r o c e s s t h e d a t a . a n d a c p l d ( c o m p l i c a t e d p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) i s u e s e d t o s i m p l i f y t h e d e s i g n. t h i s s c h e m e i s e as y t o a c c o m p l i s h a n d h as r e l a t i v e l y h i g h r e s o l u t i o n a n d a c c u r a c y. a n o t h e r d i g i t a l m e t h o d o f j i tt e r m e as u r i n g i s a l s o p r e s e n t e d . c o m p a r e d w it h t h e fi r s t o n e ,t h is m e t h o d i s e a s ie r t o a c c o m p li s h . i t s r e s o l u t i o n c a n a l s o s a t i s f y s t a n d a r d s o f j i tt e r me asu r ing . k e y w o r d s : j i tt e r , d i g i t a l s y s t e m， d s p ， c p l d 曳 t g丝* g进王一一一一一一一一 第一章序 言 1 . 1 有关抖动的一些概念 1 . 1 . 1 什么 是抖动 在过去的几年当中，抖动 ( j i t t e r )己经成为许多工程师非常看 重的信号的一个重要特征。在数字系统中，时钟频率正在变得越来越 高。随着每次速度的升级，在上升沿或是下降沿的一个微小的变化变 得越来越重要。时钟或是数据的抖动现象会影响到数据的完整性，以 及数据的建立时间和保持时间，并且在考虑信号速率与传输距离之间 的折中时，抖动也成为必须要加以考虑的重要因素。 关于抖动的概念，在一些国际标准中都有给出。 j e d e c s t a n d a r d n o .6 5 ( e i a / j e s d 6 5 ) 将抖动解释为一个受到控制受到影响的沿与其正常 位置之间的偏移。 i e e e和国际电信联盟对于抖动的定义与上述定义类 似 ， i t u - t r e c o m m e n d a t io n g .7 0 1 1 将 抖 动 定 义 为“ 数 字 信 号 的 重 要 的 时刻与其理想位置短期非累积的变化” ，它用如下的图 1 . 1给抖动做 了一个直观的解释。这就意味着抖动是对数字信号的一个不需要的相 位调 制， 此相 位变化的 频 率称 之为 抖动频 率 ( j i t t e r - fr e q u e n c y ) . 谈到抖动就不得不提一下与其紧密相关的另一个概念一一偏离 ( w a n d a r ) 。偏离的定义是 “ 数字信号的重要时刻与其理想位置的长期 非积累的变化” 。到目 前为止，抖动和偏离的定义之间并无清晰的区 别，通常将相位变化的频率在 i o h z以 下的称之为偏离。上述的定义都 是从抖动或是偏离的实际表现，从直观上给出的。若是从抖动的来源 考虑，可以将其定义为造成信号质量下降的所有歪斜、反射、与系统 有关的干扰、传输延迟、祸合噪声等的总和。图 1 . 1 中画虚线的部分代 电子科技大学硕士论文 裹孤h i 在 此 期 间 ， 接 收 机 无 法 确 定 信 号 的 逻 辑 状 态 。 . . . . . . . _ 、 了曰 . . 日目. . 目 . 图t . t 抖动的直观图示 1 . 1 . 2抖动的 影响 抖动会使数字电路的传输性能恶化，由于信号上升沿或是下降沿 在时间轴上的正确位置被取代，在数据再生的时候数据比特流中就会 引入错误。此外，在数模变换电路中，时钟信号的相位调制会使恢复 出的采样信号恶化，这在传输宽带编码信号时会造成问 题。 1 . 1 . 3抖动的 分类 抖动分为系统抖动和随机抖动。系统抖动是在信号再生电路中时 间上不准，或是码间串 扰，或是在幅频转换中不准确的电缆均衡造成 的。系统抖动取决于系统本身。 随机抖动来源于内部或是外部的干扰信号，如噪声、串扰、反射 等。随机抖动与传输信号的系统无关。 系统抖动与不同脉冲再生电路的脉冲模式有关，系统抖动能够连 续地积累。随机抖动则与脉冲再生电路的脉冲模式无关，而且也不会 连续地积累。在大多数低速率的数字系统中，系统抖动占 据主导地位， 而在高速系统中，随机抖动会变得越来越重要，甚至会占 据主导地位。 不象其它一些对信号造成的损害，干扰性的抖动能够利用信号再 生电路或是利用 “ 去抖动”电路来减弱其影响。这种 “ 去抖动”电路 电子科技大学硕士论文 苞 7 - 不帝 有 窄 带 相 位 平 滑电 路 的 信 号 缓 冲 器。 信 号 再 生电 路 只 能 将抖动频率高于时钟再生电路的截止频率的抖动成分减小，而低频的 抖动成分则仍然会出现在输出信号或是信号再生电路中。在这种情况 下，抖动被传输到输出信号中，这时信号再生电路就象是一个低频滤 波器。 l l4抖动的 成分 下面简单介绍抖动的成分。产生抖动的噪声是从不同的来源引入并 祸合到信号上的，其在不同的频率上的噪声是不同的。比 较显著的噪 声来源就是构成传导电路的元件本身，如信号发射机、跟踪电路、电 缆、连接器、接收机等。此外，影响抖动的因素还有与系统有关的码 间串扰 ( i s o 、反射、近似效应等、串音 ( c r o s s t a lk ) 、 v c c与地 之间的反弹 ( b o u n c e ) 、以 及最通常的附近的电 气设备的电 磁千扰。 码间申 扰 ( i s i ) 码间串扰是造成信号质量下降的一个主要原因。信号被削弱，以及信 号上升时间和下降时间的变化结合到一起，最终会限制信号的速率以 及传输电缆的长度。图 1 .2显示了由数据模式、上升时间、电路感抗这 些相互作用导致一个信号的变化，一般称之为依赖于系统的抖动。这 些电压衰减和传输延迟只是许多种抖动来源中的一种。这种抖动与电 路元件随频率变化的感抗有关。 在不同的系统中，各元件的参数随频 率改变，对信号产生不同的衰减，并且产生信号散射、线路阻、容抗 ( 相互之间以及和地之间) 、电导和电感 ( 本身的电感以及互感) ， 所有这些与信号和邻近的信号相互作用。并且这些作用还受回转率、 电气环境、电路板上元件的布置和布线情况、连接器以及电缆的质量 等的影响，最后都归结为码间串 扰 ( i s i ) 抖动。 电子科技大学硕士论文 图1 . 2码间串扰引起的抖动 反射 抖动的另外一个主要成分是在传输线中由于阻抗的不匹配导致信号在 传输线中来回的反射。即使正确地匹配，由于实际上的阻抗要随频率 变化，传输线中的反射引起的抖动还是不可避免的。 申扰 串扰是附近的信号使元件、连接器、传输线上的阻抗变化，导致电磁 场的变化感应并祸合到信号上引起的。如果邻近的信号与这个信号同 步，这些与频率有关的效应会急剧地放大。 1 . 2抖动侧 试的 相关标准 抖动的测试是由 抖动测试仪来完成。抖动测试仪是通信测试仪表中 的专用通信测试仪器。电平表、功率表、频率计、频谱分析仪、噪声 计等都属于通用通信测试仪器。对通用通信测试仪器的要求主要有频 率范围、信号波形、动态范围以 及测试使用方便程度等，并向自 动化 测试方向发展。对抖动测试仪这样的专用测试仪器来说，除了应达到 电子科技大学硕士论文 面丽藤丽面面丽该康歼 ， 还 有 一 些 特 殊 的 要 求 和 特 点 。 这 是 因 为 在通信中，各种通信设备和辅助设备都互相紧密联系，具有全程全网 的特点。因此通信测试仪器测得的量值必须准确和统一，仪器的技术 性能都有统一的标准。 各种通信测试仪器都要按照i t u( 国际电 信联盟) 和c i r( 国际无线电咨询委员会) 相应建议的国际标准的要求设计制造。 这不仅是为了保证通信质量，也是为了达到通信的全程全网的统一性， 以实现世界范围内各国各地区的互通。因此通信测试仪器具有国际性 和全程全网的突出的特点。 有关抖动测试的标准有i t u - t 0 . 1 7 1 和 i t u - t 0 . 1 7 2 ， 前者用来测试 基于 p d h数字系统的抖动和漂移，后者则用来测试基于 s d h数字系 统的抖动和漂移。 其相关的标准还有i t u - t g .8 2 3 , i t u - t g . 8 2 4 。 它们 分别对于传输速率为2 0 4 8 k b it t s 的p d h系统有关抖动和传输速率为1 5 4 4 k b it/ s 的 p d h系统有关抖动和漂移的一些参数和相关的值做出了 规定。 下面对与课题有关的两个标准i t u - t 0 . 1 7 1 和i t u - t g . 8 2 3 做简单的介 绍。 1 .2 . 1 基于p d h数字系统的 抖动和漂移测试仪 ( i t u - t 0. 1 7 1 ) 这个标准定义的仪器用来测量基于准同步 ( p d h)数字系统的抖 动和漂移。该标准定义的仪器包括一个抖动测试电路和一个测试信号 源。测试可以 在 p d h系统的 物理层进行。进行某些特定的测试时可能 会用到误码率测量仪。 基于同步( s d h ) 的数字系统的抖动和漂移的测试仪器的定义在i t u - t 0 . 1 7 2 中给出。 侧试框圈 图 1 .3 是该标准中 给出的抖动和漂移测试仪器的一个框图，此框图并 电子科技大学硕士论文 不涉及如何具体实现。 t a s i n i g ml -r 一口 一 二 图1 . 3抖动测试仪的框图 图中，虚线框中的是测试信号源，其中包括时钟发生器，调制信号 源和测试序列/ 帧发生器。 调制信号源根据相关的g系列的标准的不同， 可以在时钟信号发生器中实现或是在测试信号发生器中实现，也可以 单独提供。关于时钟发生器，调制信号源等标准中都有相关的规定， 如时钟发生器的精度等。 接口 特性 测试信号源、抖动和漂移测试电路与被测系统之间的接口的电气特 性要符合i t u - t g . 7 0 3 标准。 测试仪器要能 够在下列的一种或多 种速率 下工作。但是对于所有的速率来讲，加在抖动测试仪的输入端的信号 必须是名义上的矩形信号。其它形状的信号将会产生码间串扰，这种 串扰无法用简单的线路均衡来纠正，将会影响抖动测试的精度。 电子科技大学硕士论文 a ) 6 4 k b i t / s t ) b ) 1 5 4 4 k b i t/ s g ) c ) 6 3 1 2 k b it/ s h ) d ) 2 0 4 8 k b i t / s i ) e ) 8 4 4 8 k b i t / s 接口阻抗 抖动侧试电路和信号源之间应具有表 k b i t / s k b i t / s k b i t / s k b i u s 1 . 1 所示的回损 ( r e t u r n l o s s ) . 砂 色 吐 怕加 ( k b l t l s ) 双 :e 加r a l o s s ( d 日 ) t 日 成p o n d 亩 如 n s 6 42 1 2 21 5 2 1 4 1 2 0 0, n o n - rea c l i v e 3 k hz 怕6 .4 k hz 6 . 4 t o 1 2 8 k h z 1 2 8 t o 1 9 2 k hz 1 5 4 42 2 0 1 0 0 c t . n o n - r e a c t i v e 2 0 k hz t o 1 . 6 mh z 2咤 抖821 2 21 5 2 1 4 7 5 1 1 2 ( a 1 3 0 众 n o n - r e a c t i v e 引 t o 1 0 2 k hz 1 0 2 t o 2 0 4 8 k hz 2 0 4 8 t o 3 0 刀 k h z 6 3 1 2_ 2 0 7 5 1 1 1 0n。 n o n - r e a c t i v e 1 0 0 k hz t o 6 . 5 mhz 84 4 8 之1 2 z 1 8 ?1 4 7 5几 n o n - r e a cti v e 2 日 t o 4 2 2 k hz 4 2 2 t o 8 4 4 8 k hz 8 4 4 8 t o 1 2 6 7 2 k hz 3 2 0 6 4之 2 0 7 5 u n o n - rea c t i v e 5 t 1 0 k h z t o 4 0 mhz 3 4 3 6 82 1 2 之 1 8 2 1 4 7 5q， n o n - rea cti v e8 印 协 1 7 2 0 4 0 k hz 1 7 2 0 t o 3 4 3 6 8 k hz 3 4 3 6 8 t o 5 1 5 5 0 k h z 4 4 7 3 62 2 0 7 .5 几 n o n - r e a c t i v e 5 0 0 k h z t o 5 0 mhz 1 3 9 2 6 4之1 5 7 5 众 n o n - r e act i v e 7 mh z t o 2 1 0 mh z 表 1 . 1回损测试条件 侧试信号源 测试信号产生电路中产生的抖动的峰峰值与调制信号频率之间的关 系应满足图1 .4 和表1 .2 的要求。 抖动侧试电 路 i t 电子科技大学硕士论文 不h m 而f 蔽而o 够 测 试 抖 动 的 峰 峰 值 抖动测试仪所提供的测 试范围是可选的，但是为了满足兼容性的要求，抖动测试电路的抖动 幅度/ 抖动频率响应至少应该满足图1 . 5 和表 1 . 3 的要求。 f u 6 1 t,. r .t 2卜 f f e q u e u c y ( l o g s c a le ) 图1 . 4 所产生的抖动的幅度与频率图 与人人人人 。勺砚罗1幼n嗯卜书琴早筒叁 七卫票是.匕1侣一，侧妇.与飞召，兰看 b it m e1k b k h i a 6 a ta :a ，m i n ui 勺4 t f i t 4 9 n勺h 1 3勺4 . nn. m 冈 网回 巨 ， i ”冈 网 6 以16k2 0 k 1弓 润 厂 一 ii口 巨 习 巨 二叮 厂 了 4 口 】月k叨 k 2 1n 9 一 扣区 10 回 1 2 p 口 10 9 ( 幻1 8 i t1 0 1 1 k 6 3 1 2 一l一l巨 二 巨 0 巨 二 巨 二巨 二 巨 i1 6 0 1劝 k 6 1 ) k 介刹启么幻 回 10 囚 回 月 1 . ， 困 回 州jt 9 . 5 k 4 0 0 k 二、 一一l一巨 二巨0 巨二 巨二巨二 巨i 1 狱旧 犯 喇翻 i k m 3 6 日. 侧即 回 回囚 口 1.) 囚 itta 吐 以目2 0 k “ 4 4 7 、一一l一 二 二巨 二 巨 73 二 巨 二巨二 巨 二 5 伽 一 i( k t k 。、 1 3 9 1 64 一 ， “一 一回 回囚 口 . 巨 ”回 网 ， 国 l nk35 0 ) t k 幻v a lve s w a fe r u 吻a r a x n a u v a l w irn 6 .8 1 1 . n o t e t o 吮u r e 2 a n d t 曲 l e 2 一 l in e r a m p litu d e s a t e s p e c if ie d a s p e a k - to - p e a k v a lu e s in u n i t i n o a v a la ( u l ) . v a l u e s a te b a s e d o n t a b le 2 1g .8 2 3 a n d f i g u r e 3 / g .8 2 3 f o r t h e 2 0 4 8 k b it/ s h ie ra r ch y a n d o n t a bl e 2 / g .9 2 4 a n d f i g u re 3/g.924 f or th e 1 5 4 3 k b h ) s h i e r a r c 协. 表 1 . 2可调整的抖动产生仪的最小幅度相对于抖动频率 竺丝进垫兰湮兰丝七一一一一一一一 a.人 .窗锐卿孟1吮卫月争俏色币吕“邑 匕月习写，目。召。-一百巴咬 r , f re y a u u y ( ii 嗯， . 协 ) 图15 测试的抖动幅度特性 bi t r a t e ( k b i t t s ) a 3a 闷 i nui fl p = p 3 4 亩 nuz 6 450 . 52 06 ( 刃6k2 0 k 1 5 4 41 0 0 . 51 04 0 08k4 0 k 20 4 81 00 . 52 09 1 叉 )1 8k1 0 0 k 6 3 1 21 00 . 51 01 6 ( 洲 )3 2k印 k 84 4 81 00 . 52 04 0 08 . 5 k月 印 k 3 20 6 41 00 . 51 0】 6 阅3 2k粼扣 k .3 43 6 81 00 . 51 0 01 0 0 02 0 k8 的 k 4 4 7 3 61 00 . 51 050 0 01 0 0k礴 以】 k 1 3 9 2 6 4 1 00 . 52 0 0 5 加j ok3 5 0 0 k 表1 . 3不同频率下抖动幅度的测试范围 电子科技大学硕士论文 1 . 2 . 2 对基于2 0 4 8 k b i t / s 数字系统的抖动和漂移的 控制 ( i t u - t g. 8 2 3 ) 在一个传输系统中，相互连接的仪器和设备中的抖动和漂移会产生 积累。这些仪器可能是各种各样的多路复用和解复用设备，或是线路 系统。过度的抖动不但会严重地影响数字信号 ( 如产生误码和不可控 的丢帧) ，而且会影响模拟信号 ( 如对传输信号不需要的相位调制) 。 因此，为了保证传输信号的质量，有必要在网络接口 对抖动和漂移做 出一些限制。本标准对基于准同步 ( p d h )数字系统接口的一些参数 和相关的值做出了定义，目 的是为了对抖动和漂移做出满意的控制。 此标准应用于基于2 0 4 8 k b i u s 传输速率的一次群的数字系统中。 抖动控制的原则是基于下列需要: 定义一个抖动的最大上限，网 络各层间的接口 都必须遵守。 对不同的数字设备的 指标给出 一个统一的框架。 提供充分的信息和指导给一些机构用来测试和研究在任何系统配 置下的抖动的积累。 电子科技大学硕士论文 ma t 3 . u n p e r . 加 肠 卜j i t . r 公e l d f a r a l d c 公如加 d 4 c e p a r a me t e r 4 v 目 场. 咔 妇 小 古 4 0 和 川.j ( 地d 间 1 d n e t - 五 i m 自jme e e , v e m 川目加 . b , 曰 如吮 助 杏 h , m 亩加 t e r v d a 卜公- t . 币 晌 医， 杏 i w n 外 包甘匕芭 昌匕即， .心户反.民普奋 告闷目 1创日户1凡甘孟斤.1甘.吐r:材. 甘胃甘胜r.俘分任巴.色任豆己甘甘神备受，甘饭5巨5石臼沙吧，盆甘价.占汀各 3日日甘甘断色 贾泉咨导1日-匕饭下 贾悦兄臼咨毕日11合盘诀1 甘王右咨导日1111.诀 甘坦鉴岑军日11娜1砚一 即1岩公宝参婆1日11只毖晓. .甘，盯甘之。.恳j马.巨.甘量.份队巴.r.，口食甘目夏叭食一医，导.色睁协而r已叭盆琶.牙乙甘.犷耳澳.cr甘 切导昏甘百荟.，牙叮巨.二旧.双甘任.音母. 肠考-.习甘氏趁红跳.八扭召砚9.召9君牙之，叮.嘴，.口，舍.“n 砧目压.，甘.落1甘络.答趁筐万贾.参芬，挂几甘道井召奋日甘巴.甘.公.首骨.甘即云奋琶厄甘.首匕，口性.垂 卜 甘丫译， 1回rl廿， 右丫 任邑甘 昌即日盆目地乙份钾 导趁甘.翻巨口 甘朴否琶 怡1尸， 竺.。卜 导cd斌于 f c l t -t 街岁 豪丫 蛤:卜 习内.户二1) 表 1 . 5 不同群中抖动的截止频率 1 7 电子科技大学硕士论文 第二章 抖动测试原理 2 . 1 侧试抖动的一般方法 抖动测试的方法有很多，本节将介绍定性的测试方法眼图，以 及定量测试抖动的方法。 z . 1 . 1用眼图 法测盆抖动 抖动可以被定义为歪斜、反射、与模式相关的干扰、传输延迟、祸 合噪声的总和。它在本质上代表了一个单元时隙中逻辑状态不确定的 时间占总时间之比。 眼图是测试信号总体质量的一种有效工具。 如图2 . 1 所示，脉冲信号 在显示屏上两处变化逻辑状态，形成了一个眼睛的形状。显示的眼图 包括了系统和随机的噪声和扭曲，并且显示了信号能够被认为是有效 的时间。一个典型的眼图如图2 . 1 所示，从图中能够定性地得到幅度噪 声和抖动等，但是不能要定量地测试抖动，得到抖动的频率和幅度等 参数。 2 . 1 . 2定盆侧试抖动的 方法 模拟抖动侧t 典型的方法是在一个不归零 ( n r z )数据信号上进行抖动测量。先 从 n r z信号上恢复一个时钟， 有效地填入丢失的数据沿。由于这通常 是在有限的带宽上由一个锁相环电路完成的，抖动就必须是低通的， 抖动噪声附加在该过程中。为给相位检测器一个更大的动态范围，恢 复的时钟被分开 可能 是4 分以 得到一个4 单元间隔田d 的峰峰值范 围。 电子科技大学硕士论文 冲展宽电路，以提高测试精度。方案二则是在数据处理模块中通过软 件对数据作相应的处理以提高测试的精度。在下一章，将结合所选用 的芯片对这两个方案的各个模块做更加详细的介绍。 图2 . 4抖动测试电路的实现框图 电子科技大学硕士论文 第三章 系统硬件设计 本章主要介绍抖动测试仪硬件的设计思路和具体的实现。 3 . 1硬 件设计 选用芯片 介绍 3 . 1 . 1 ds p d s p技术的发展 在数字信号发展的初期 ( 本世纪5 06 0 年代) ，人们只是在通用数 字计算机上进行算法的研究和处理系统的模拟与仿真。随着快速傅立 叶变换方法的提出和集成电路技术的发展，使得用硬件来实现各种数 字滤波和 f f t受到了极大的关注。从而导致了近二十年来 d s p技术和 器件的极为迅速的发展。 其中， t i , m o t o r o l a , a d公司的d s p器 件倍受人关注。 在 d s p硬件结构和性能不断发展的同时，很多厂家陆续推出了一 些针对d s p 的 操作 系统( 如s p e c t r o n m i c r o s y s t e m的s p o x ) ， 为d s p 的高层次开发提供了更多的便利。 d s p 器件的选择 d s p芯片用的是t i 公司的t ms 3 2 0 f 2 0 6 。 之所以选择t ms 3 2 0 f 2 0 6 , 首先是因为对于本设计来讲，因为是测试 2 mh z信号的抖动，数据速 率是每秒4 m字节，而且实时性的要求也不高，数据处理的复杂度也不 高，因此用 t ms 3 2 0 f 2 0 6足以 应付数据处理的要求。还有一个原因是 t m s 3 2 0 f 2 0 6有 3 2 k的f l a s h存储空间， 作为一 般的 程序存储区 足 够大了。这样在硬件设计中就不用外接e p r o m作为扩展的程序存储空 间，简化了硬件的设计。 电子科技大学硕士论文 产生与数据存储模块接口的写时钟和写使能信号; 将2 m h z 的计数值和展宽的误差脉冲计数值通过一路8 位的数 据总线分时输出; 此模块的设计用一块x i l i n x公司的c p l d x c 9 5 1 0 8 来完成。设计 输入用原理图方式，下页是时钟计数电路的主要波形的示意图。 ( a )要求测试抖动的2 .0 4 8 m h z 信号 ( 简称为2 m h z 时钟信 号) ; ( b )对2 m h z 信号进行二分频后得到的1 m h z 信号; ( c ) ( b )波形反相后的波形: ( d ) 1 0 0 m h z 的时钟，是计数器的计数时钟: ( e ) ( b )波形用1 0 0 mh z 时钟计数在上升沿处产生的误差 脉冲; ( f ) ( c ) 波形用1 0 0 m h z 时钟计数在上升沿处产生的误 差脉冲: ( g ) ( e ) 波形经脉冲展宽电路展宽后的脉冲; ( h ) ( f ) 波形经脉冲展宽电 路展宽后的脉冲: 在此模块中，需要对 b , c , g , h这四路信号用 1 0 0 m h z的时钟进 行计数，因此在 c p l d实现的原理图中设计了四个 8位的计数器， 在 b波形的t i 和t 5 这样处于高电 平时进行计数， 同样在g波形的t 2 和t 6 , c 波形的t 3 和t 7 , h波形的t 4 和t 8 ，即当 信号处于高电 平是 进行计数， 当信号处于低电平时，计数值处于保持状态。由于在脉冲展宽电路中 对展宽倍数可以 进行控制，使得波形 g和 h高电平的时间少于相应的 波形b和c处于高电 平的时间。该模块将四路信号的计数值按t l , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 , t 6 , t 7 , t 8 . . . 这 样的 顺序 分时 通过一 路8 位的 总 线输出 至 f i f o中。 曳 t 4 上塑吐生t 一一一一一一一 2 . 0 4 8 mhz ( b) 1 ) 1 0 0 mhz 正向误差 反 向 误 差 i l 正向误差 展 反向误差展宽 h) 4 7 电子科技大学硕士论文 3 . 2 . 2脉冲展宽模块 脉冲展宽模块是为了 提高测试抖动的精度，这是本设计中非常关键 的一个模块。本设计中测试抖动其实就是精确地测试出每个周期的时 间，只有测试的的时间精度提高，最终测试的抖动才能达到要求的精 度。若无脉冲展宽电 路，仅用 i o o m h z的时钟计数的话，则单个周期 的 测时的 最大误差是i o n s ， 这 样时间 分 辨率 超过0 .0 2 u i ( i u i 是4 8 8 n s ) 这样测出的抖动误差过大。 脉冲展宽电路的原理是利用 l m2 3 4产生两个恒流源，分别作为一 个电容的充电电流和放电电流。利用充放电电流的不同产生斜率不同 的充放电曲线，再与一参考电压进行比较，即可得到一展宽的脉冲。 在下页所示的脉冲展宽电路的原理图中，用了两个高频三级管 2 s c 3 3 5 7 ， 其工作 频率 可达到i g h z 以 上， 因 为 要 测的 误差 脉冲 其时间 只有几个纳秒。图中m a x 9 1 3 是一个比较器。 工作原理: 一当误差脉冲没来时 ( 1 )电流源以电流 1 2 ( i 2 = 0 . 1 n u t )对电容 c i进行充电，因为 c i并 联了一个稳压二级管，因此最多充电 至4 v( 稳压管的稳定电 压) 。 ( 2 ) 三级管u 8 此时处于导通状态， 给i 1 的电 流源提供了 一条通路， 因为若无此通路， 则恒流源的的电流从0 到稳态尚需要几个纳秒， 而误差脉冲也是几个纳秒。这样在误差脉冲来到的一段时间，恒 流源实际上就不能称之为恒流源， 这样展宽的结果肯定不对。 二.当 误差脉冲来时 ( 1 ) 三级管u 7 此时处于导通状态，电 容c i 通过恒流源i 1 进行放电， 但与此同时， 12还在向电 容c i 充电，因此电容c i 实际的放电电 流是 ( 1 1 - i 2 ) . 电子科技大学硕士论文 图 3 . 1 4脉冲展宽电路的原理图 下面给出此原理图中各点的波形: 4 9 电子科技大学硕士论文 p护 vr d. + 一 l j_ -一 1 .尸侧 l a . -o t 0 - 1 0 泪 夕 kt , 图 3 . 1 5脉冲展宽电路中各点的波形 ( a ) 电容c 1 上的充放电的电压变化。 ( b ) 三级管u 7 的基级输入端的误差脉冲。 ( c ) 展宽后的误差脉冲。 下面对上述波形的相关问题做一说明。 5 0 电子科技大学硕士论文 气奋而几藕蒲氰而履颧丽俞 面 力 口 了1 0 纳 秒 ， 其 作 用 如 下 : 在 充放电过程中，放电刚开始和充电即将结束的时候，充放电曲 线的线 性是最差的。给误差脉冲前加上 1 0 纳秒，可避开线性较差的一段曲线， 这样可提高脉冲展宽的线性。 参考电 压v r e f 的值也取决于1 0 纳秒的附加脉宽。在调试过程中，产 生一个脉冲宽度等于 1 0 纳秒的脉冲。参考电压v re f 的值应该取在波形 ( a)中的最低点。此时比较器没有输出。在正常工作时，比较器的输 出就是真正的误差脉冲展宽后的脉冲。 由波形图所见 展宽倍数k = 充电曲线的斜率/ 放电曲线的斜率+ 1 = ( 1 1 一 1 2 ) 1 1 2 + 1 = i 1 / 1 2 电 容c i 的选取要保证2 0 纳秒的误差脉冲使电容c l 上的电压变化在2 v 左右。根据 c = q/ u = i t / u 进行选取 3 . 2 . 3 数据存 储 模 块 数据存储模块用来作为时钟计数模块计得的数据的缓冲器。正如前 面所介绍的，选用了一片f i f o i d t 7 2 2 3 0 。该 f i f o具有 2 k乘 8的存 储空间。在 f i f o的数据全满后，由i d t 7 2 2 3 0的f f( 全满标志引脚) 向 数据处理模块发送中断请求信号。数据处理模块中的d s p从 f i f o 中将这2 k个数读出来。 3 . 2 . 4 教据 处 理模 块 数据处理模块以 一块 d s p t ms 3 2 0 f 2 0 6为核心， 来对计数器计得的 值进行处理， 最终算得j i tte r的值。 d s p 中用到了中断口i t 2 ， 当f i f o 满时， 从f i f o中读出2 k个数据。 d s p 与外部p c的 通信则通过r s 2 3 2 51 电子科技大学硕士论文 异步串口。 本项 目的程序设计在下一章介绍。 电子科技大学硕士论文 第四章 系统软件的设计 4 . 1 d s p 的 调试环境 t m s 3 2 0系列 d s p的开发工具包括: c优化编译器;具有产生代码能 力的 c / 汇编语言源调试器;软件仿真器;实时硬件仿真器:实时操作 系统( 由 第三方开发) 以及大量的应用软件。t m s 3 2 0 d s p的开发环境与 一般微处理器系统相类似。 图4 . 1 是c 2 x x的 软件开发流程图，阴 影部分是软 件开发的最常 用路径，其它部分是可选的。 图 4 . 1 t ms 3 2 0软件开发流程图 电子科技大学硕士论文 t ms 3 2 0 c 2 。 的开发工具简介如下: . c编译器( c c o m p i l e r )将c源程序代码编译成为c 2 x x汇编语 言 源代码。 编译包中 包括一 个外充 程序( s h e l l p r o g r a m ) 、 一 个优化 器 ( o p t i m iz e r ) 和 一 个内 部 列 衰 公 用 程iv ( i n t e r l i s t u t il i t y ) . 1 .外壳程序能自 动编译、汇编、连接源模块。 2 .优化器能改进代码来提高c程序的效率。 3 . 内部列表公用程序能将c源程序同汇编语言输出相结合。 . 汇编器( a s s e m b l e r )将汇编语言源文件转变为机器语言目 标文 件。机器语言是基于公用目 标文件格式的 ( c o f f ) o . 连接器 ( l i n k e r )将目 标文件连接起来产生一个可执行模块。 它能调整并解决外部符号引 用。 连接器的输入是可重新定位的c o f f 目 标文件和目 标库文件。 . 归挡器 ( a r c h iv e r ) 将一组文件归入一个归挡文件，也叫归档库。 另外，归档器允许通过删除、替代、提取或增加文件来调整库。归 档器最有用的应用之一是建立目 标文件库。c编译器自带有目 标文 件库。 . 助记符到代数语言的转换公用程序( m n e m o n i c - t o - a l g e b r a i c t r a n s l a t o r u t i l i ty ) 转换汇编语言 源文件。该公用程序接收含有助记 符的指令，将助记符指令转换为代数指令，产生一个含有代数指令 的汇编语言源文件。 . 运行 支持 库公 用 程序 ( r u n t i m e - s u p p o rt u t i l i ty ) 建立 用户的c 语 言运行支持库。 标准运行支持库函数在r ts .s r c 里提供源代码， 在r t s .l i b 里提供目 标代码。 . 运 行 支 持 库( r u n t i m e - s u p p o rt l i b r a r y ) 包 含a n s i 标 准 运行 支 持 函数、编译器公用程序函数、浮点算术函数和被c 2 x x编译器支持 电子科技大学硕士论文 的c输入/ 输出函数。 c 2 x x调试器接收可执行的c o f f文件作为输入，但大多可擦除 存 储器却不支持c o f f 文件。 十六进制转化公用程序 ( h e x c o n v e r s i o n u t i l i t y )将 c o f f 目标文件转化为 t i - t a g g e d , a s c i i - h e x , i n t e l ,m o t o r o l a - s , t e k t r o n i x等目 标格式， 从而可以 将转 化文 件装载 在可擦除程序存储器里。 绝对列表器 ( a b s o l u t e l is t e r ) 接收己 经连接的目 标文件作为输入， 并产生.a b s文件作为输出。汇编.a b s文件后产生含有绝对地址的列 表。没有绝对列表器，要产生这样的列表就只能采用冗长的手动操 作。 交叉引用列衰 ( c ros s - r e f e r e n c e l i s t e r )用目 标文件来产生一个 交叉引用列表，它列出符号、符号的定义、以及它们在已连接的源 文件中的引用。 这种开发程序的目 的就是产生能在c 2 x x目 标系统中执行的模块。 可以使用下面的几种调试工具来精炼和改正用户的代码。可使用的产 品包括: 1 .软件仿真器 ( s im u l a t o r ) 2 . 扩展开发系统 ( x d s 5 1 0 ) 硬件仿真器 3 . 评估模块 ( e v m) 下面对s i mu l a t o r做简单的介绍。 s i m u l a t o r是 t i 公司为其 d s p开发的一种调试环境， 它实际上是 一个虚拟机的概念， 即在一个普通的p c机上虚构了 一个d s p的硬件工 作环境，在其中执行d s p的机器代码， 并显示出d s p内地址映射存储区， 程序和数据存储区的信息， 便于编程者对程序进行调试， 从而清楚地把握 电子科技大学硕士论文 程序运行的结果。 4 . 2 方案一程序的 编制 下面先就数据处理中的一些问题做简单的介绍，然后给出数据处理 的框图。 数字测试抖动的方法需要得到每一个周期的准确的时间值，而算出 每一个周期的值需利用时钟计数模块的三个数值。以 3 .2 . 1中所画的波 形示意图为例。以 t 1 , t 2 , t 3 , t 4 . . . . . . . t 8 代表各段的时间 ( 单位是纳 秒) ，以t i , t 2 , t 3 , t 4 价 t 8 代表用 l 0 0 n i h z 时钟记数时t l , t 2 , t 3 , t 4 . . . . . .t 8 各段的记数值。 t 1 = ( t l - 1 ) * 1 0 + t 1 的 前 项误差 + t 1 的 后 项误差 因为 t 1 的后项误差+ t 3 的前项误差= i o n s 所以 t 1 = t 1 * 1 0 + t 1 的前项误差 一 t 3 的前项误差 又因为 t 1 的前项误差= t 2 / 展宽倍数 = t 2 * 1 0 /展宽倍数 t 3 的前 项误差= t 4 / 展宽倍数 = t 4 * 1 0 /展宽倍数 t 1 = t l * 1 0 + ( t 2 一 t 4 ) * 1 0 / 展宽倍数 ; t 3 = t 3 * 1 0 + ( t 4 一 t 6 ) * 1 0 / 展宽倍数 t 5 = t 5 * 1 0 + ( t 6 - t 8 ) * 1 0 / 展宽倍数 ; 样以样 同所同 电子科技大学硕士论文 对于 t o， t 。= t n * 1 0 + ( t n + l 一 t n + 3 ) * 1 0 / 展宽 倍数 ; 下面分析一下这种计算每个周期的时间的误差情况，在分析之前， 做如下的三个假定: ( 1 )产生 1 0 0 mh z计数时钟的晶振的精度足够高，即 1 0 0 mh z的晶 振不会带来误差。实际上， 1 0 0 mh z晶振的精度达到了小数点 后的四位数。所以这一假设能够满足。 ( 2 ) 二分频后的2 m h z 信号，即1 m h z 信号及其反相信号，在4 7 页 的波形示意图中的 ( b )和 ( c ) 波形，其沿在时间轴上完全对 齐，不存在时延。实际上，这一部分的电路是在c p l d中实现 的，适当的利用一些缓冲门 ( b u f f ) ，即可作到。 ( 3 )误差脉冲展宽电路的线性足够好。这是三个假设中较难满足 的，但是通过适当地选取工作的区间，仍可近似地满足