（通信与信息系统专业论文）高速时钟信号抖动的adc测量技术研究.pdf

摘要 摘要 随着通信系统速率的不断提高，时钟的质量成为影响系统性能的关键因素。 时钟的短期不稳定性( 即抖动) 直接影响高速电路和系统的最终指标。定时抖动 在电气系统中总是存在，人们也越来越关注定时抖动的特征。搞清抖动特征有助 于识别抖动根源以便在重新系统设计中减少抖动的出现。为提高电路设计的水平， 不可避免地要研究抖动，测试和评估时钟的质量成为很多工程和研究部门必须的 工作。一些研究时钟抖动测量的人想到，可以利用对a d c 输出信号参数的分析反 推采样时钟抖动。此处，待测时钟是a d c 的采样时钟。已经有人提出利用a d c 测量时钟抖动的几种方法，比如相干采样法( 包括简单相干采样法和复杂相干采 样法) 和信噪比测量法。 本文基于简单相干采样法研究了a d c 测量时钟抖动的技术。主要的工作如下： ( 1 ) 主要介绍了抖动的定义和分类，分析了串行通信系统中常见的三种抖动： 定时抖动、周期抖动和周期间抖动；并分析了相位噪声和定时抖动的关系。利用 s i m u l i n k 搭建了抖动发生器，并在f p g a 中实现。 ( 2 ) 推导了简单相干法测量时钟抖动原理，并利用m a t l a b 模拟a d c 测量抖 动，进行了仿真验证。 ( 3 ) 在设计a d c 硬件测试平台时，难点是产生一个相位可调的高性能的正弦 信号以及如何使信号相干。在本文中，设计了两种方案产生正弦信号。一种是利 用谐振产生正弦信号，另一种是采用d d s 技术产生相位可调的正弦信号，并利用 m o d e l s i m 进行了仿真。为了验证a d c 测量结果，在实验中，利用f p g a 搭建了抖 动发生器。用设计的两种硬件平台分别对抖动发生器生成的抖动进行采集。最后 对两种方案得到的实验数据进行了m a t l a b 分析和比较。 关键词：周期抖动，随机抖动，累积抖动，a d c ，简单相干 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fd a t ar a t e si nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h eq u a l i t yo fc l o c k b e c o m e st h ek e yf a c t o rt oa f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h es h o r t t i m ev a r i a t i o no f c l o c kd i r e c t l yw o r k so nt h ei n d e xo fs y s t e m s t i m i n gj i t t e rh a sa l w a y sd e g r a d e d e l e c t r i c a ls y s t e m s t or e d u c ej i t t e ri ns y s t e mr e d e s i g n ，i ti sn e e d e dt of i n do u tt h e c h a r a c t e r i z a t i o no f j i t t e ra n di d 锄t i 匆j i t t e rs o u r c e s i t sn e c e s s a r yt ot e s ta n de v a l u a t et h e c l o c kq u a l i t y s o m ep e o p l ew h oa r es t u d y i n gc l o c kj i t t e rm e a s u r e m e n t sg e tt h a ti t s p o s s i b l et od e d u c ec l o c kj i t t e rb ya n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r so ft h eo u t p u ts i g n a l 诵t h a d c h e r e ，t h ec l o c ku n d e rt e s ti st h es a m p l i n gc l o c ko fa d c t h e r ea r es e v e r a l m e t h o d sp u tf o r w a r dt om e a s u r ej i t t e rb ya d c ，s u c ha si n t e r f e r e n c es a m p l i n gi n c l u d i n g s i m p l e i n t e r f e r e n c e s a m p l i n g a n dc o m p l e xi n t e r f e r e n c e s a m p l i n g a n ds n r m e a s u r e m e n t s t h i st h e s i ss t u d i e st h ea d c m e a s u r i n gc l o c kj i t t e rt e c h n o l o g yb a s e do ns i m p l e i n t e r f e r e n c es a m p l i n g t h em a i nc o n t e n t sa r ei l l u s t r a t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) n ed e f i n i t i o na n dc a t e g o r i e so f j i t t e ra r ei n t r o d u c e d , a n dt h r e es o r t so ff a m i l i a r j i t t e ri n s e r i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sn a m e da s t i m i n gj i t t e r , p e r i o dj i t t e r a n d c y c l e - t o c y c l ej i t t e ra r et h ee m p h a s i s t h er e l a t i o nb e t w e e np h a s en o i s ea n dt i m i n gj i t t e r a r ea n a l y z e d aj i t t e rg e n e r a t o ri sb u i l tb ys i m u l i n ka n dr e a l i z e db yf p g a ( 2 ) t h ep r i n c i p l eo ft h es i m p l ei n t e r f e r e n c em e a s u r e i n gj i t t e ri sd e d u c e d , s i m u l a t e d a n dv a l i d a t e db ym a t l a b ( 3 ) w h i l ed e s i g n i n gt h ea d ct e s t i n gh a r d w a r es y s t e m , i t sd i f f i c u l tt og e tap e r f e c t p e r f o r m a n c es i n ew a v ew h o s ep h a s ec a t nb ea d j u s t e d i nt h i st h e s i s , t h e r ea let w o p r o j e c t sa r ep u tf o r w a r d a tl a s t , t h ee x p e r i m e n td a t ai sc o l l e c t e db yt h et w ot e s t i n g s y s t e m s ，t h e nc o m p a r e da n da n a l y z e db ym a t l a b k e y w o r d s ：p e r i o dj i t t e r , r a n d o mj i t t e r , t i m i n gj i t t e r , a d c ，s i m p l ei n t e r f e r e n c es a m p l i n g 图表目录 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 。1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图表目录 p l l 工作原理6 简化的c d r 系统7 j i t t e r 的定义8 j i t t e r 的分类10 随机抖动10 确定性抖动11 p j 、c c j 和t i e 的定义11 幅度噪声引起的抖动1 3 受幅度噪声污染的正弦信号1 4 受幅度噪声污染的方波信号1 4 5 种普通的相位噪声源1 6 从相位噪声谱密度中计算i u 1 7 通信系统参考模型18 发射器中时钟抖动的影响19 典型的二阶p l l 频率响应1 9 d c d 使信号产生了偶次谐波2 0 信号延迟链21 抖动信号产生控制模块2 3 抖动信号产生模块2 4 仿真波形2 5 a d c 总体结构。2 7 奈奎斯特采样定理2 8 a d c 量化与编码2 8 a d c 测量原理一2 9 抖动对a d c 输出的影响3 0 简单相干法测量原理3 0 v 1 图表目录 图3 。7a d c 测量时钟抖动( 高斯分布) 3 3 图3 8a d c 测量时钟抖动( 正弦分布) 。3 4 图3 - 9a d c 测量含有两种抖动成分的抖动3 4 图3 1 0 总抖动分布比较3 5 图3 1 1总抖动的频谱以及滤波后的抖动频谱3 5 图3 1 2 还原的正弦抖动以及与原始正弦抖动的比较3 6 图3 1 3 还原的高斯抖动分布3 6 图3 1 4 不同信噪比条件下的抖动比较3 8 图3 1 5 对t j 做e m d 分解得到的i m f 和残余分量r 4 0 图3 1 6i m f 分量的f f t 频谱图4 1 图3 1 7e m d 算法得到的抖动与原始抖动比较4 1 图4 1系统方案总体设计4 2 图4 2实验测试系统框图j 4 2 图4 3l c 谐振回路4 3 图4 4l c 回路的频率响应。4 3 图4 5电路原理图4 4 图4 6d d s 原理框图4 5 图4 7d d s 仿真波形4 5 图4 8本设计中的d d s 仿真波形4 5 图4 9输出信号c o sw a v e 频率为3 0 m h z 时的频谱4 6 图4 1 0 信号的移相4 6 图4 1 1 s n r 与缸以及乇潲的关系( z o 沂= 5 m h z ，0 d b f s ) 4 7 图4 1 2a d 8 0 4 7 a r 噪声和频率的关系4 8 图4 1 3u 1 0 7 3 应用电路4 8 图4 1 4d a 转换电路原理图4 9 图4 1 5c l c 5 9 5 7 信号频率一s n r 和s f d r 的特性曲线。5 0 图4 16 抖动发生器框图5 1 图4 1 7 含有毛刺的信号时序仿真图5 l 图4 一1 8 改进后的信号时序仿真图5 2 图4 1 9 产生抖动时钟和d a 输入信号的f p g a 开发板5 3 v i i 图表目录 图4 2 0 图4 2 l 表3 1 表3 - 2 表4 1 表4 2 d a 电路板5 4 a d c 采集板一5 4 不同信噪比条件下抖动的测试3 7 不同量化位数下抖动的测试3 8 方案一测试数据分析5 2 方案二测试数据分析5 4 v i i i 主要符号表 g ( x ) 仃 d j ( p p ) 3p ，jc c ) t x ( ，) x ( 哟 矿( f ) a v ( t ) s v ( 力 s ( 门 三( 厂) 。 j ( f ) 死 r 占o k ) s ( k t ) 0 ( k ) 气 s n r 彳 彩 工 c 主要符号表 信号概率密度函数 信号的均值 信号的均方根值 信号的峰峰值 周期抖动 周期间抖动 累积抖动 时域信号 信号x ( ，) 的傅里叶变换 相位噪声 电压噪声 信号频率 相位谱密度函数 频谱密度函数 信号单边带频谱 信号的抖动 输入信号 信号葶( ，) 的初始相位 信号周期 实际采样值 理想采样值 信号j ( f ) 的抖动 信号s ( r ) 的幅度误差 信噪比 信号s ( f ) 的幅度 信号的角频率 电感 电容 i x 主要符号表 频率控制字 相位控制字 波形控制字 相位累加器字长 r o m 数据位及d a 转换器的子长 输出电压 x k 尸 形 d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盔丝聋日期：加7 年乡月加日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：望叠色车一导师签名：堡兰兰垒 日期：沙夕7 年j 月加日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速串行通信的现状和发展1 】 随着技术的发展和信息流量的不断增加，以p c i 为代表的传统的并行接口面 临的两大问题成为了传统并行i o 接口的数据传输瓶颈：首先，由于采用并行数据 以共享总线形式进行传输，就需要面对多负载驱动和多路选择的问题，很可能产 生信号反射问题，从而使信号完整性变差。同时由于并行接口中需要的数据线多， 且采用单端信号传输方式而不是差分信号传输方式，造成信号和信号之间串扰大， 抗噪声能力差。随着传输速率的增加，这种信号质量的问题对数据的正确发送和 接收的影响会越来越大。其次，在高速并行接口中往往采用时钟同步的数据传输 方式。在时序设计时，必须考虑到许多因素，如信号在背板上的传输延迟时间( 飞 行时间) ；时钟信号的偏差和抖动；收发器的传输延迟时间( 时钟到数据输出) ， 数据建立和保持时间等。随着时钟频率和传输距离的增加，由于飞行时间和器件 延时等因素的存在，造成建立时间方程和保持时间方程同时满足的系统冗余越来 越小，甚至无法工作。 在这种情况下，过去主要用于光纤通信的串行通信技术s e i e s 正在取 代传统并行总线而成为高速接口技术的主流。s e r d e s 是英文s e r i a l i z e r ( 串行器) d e s e r i a l i z e r ( 解串器) 的简称。它是一种时分多路复用、点对点的通信技术，即 在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输介质( 光缆或铜线) ， 最后在接收端将高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信 技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数目，从而 大大降低通信成本。 由于采用差分信号传输代替单端信号传输，从而在信号传输过程中增强了抗 噪声、抗干扰能力；同时，在基于s e r d e s 的串行通信过程中采用时钟和数据恢 复技术取代同时传输数据和时钟，从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移 问题。因而，基于s e r d e s 的高速串行接口突破了传统并行u o 接口的数据传输 瓶颈，大大提高了数据传输的数据率。 计算机和通信技术的融合为s e r d e s 技术开辟了更为广阔的应用前景。 s e r d e s 技术的应用从光纤通信发展到计算机通用i o 接口，其传输媒介也由光纤 电子科技大学硕士学位论文 发展到铜线或背板。i n f i n i b a n d 是一种采用电缆或背板作为传输媒体的高速串行接 口，主要用于数据中心服务器和存储设备之间的通信。r a p i d l o 是一种面向嵌入式 系统的总线结构，有并行和串行两种规范，主要用于嵌入系统的处理器总线、局 部i o 总线和背板。 国际互联网络和信息技术的兴起促成了计算机和通信技术的交汇，而s e r d e s 串行通信技术逐步取代传统并行总线正是这一交汇的体现。在现有的计算机系统 中，u s b 2 0 和i e e e1 3 9 4 等串行接口标准已获得了普及。而作为计算机接口技术 从并行向串行的标志性转变，p c ie x p r e s s 将会取代p c i 和p c i x 而成为外围设备 ( 网络、存储和视频) 的通用高速接口标准，以突破传统的并行总线技术p c i 成 为进一步提高计算机与外围设备数据传输速率瓶颈的现状。 1 2 定时抖动测量的现状 定时抖动是使用幅度转换表示定时信息的所有电子( 光) 系统中不受欢迎的 伴生物。抖动的大小和成分与系统的误码率密切相关，研究抖动也就是研究分析 误码的起因，只有全面地分析抖动，其产生的根本原因才能被隔离，从而可以系 统地减少抖动，提高系统性能。随着数字电路和传输系统速率的提高，时钟信号 和i o 信号中的抖动已经成为限制性能的一个基本因素。 任何抖动的测量都可以归结为两个时钟的比较。目前，测量时钟抖动主要采 用以下三种技术：采样技术如安捷伦的采样示波器、实时技术如相位噪声分析仪 和数字技术如安捷伦n 4 9 0 0 系列。但对于大多数高速电路设计者而言，这些昂贵 的设备不是能经常放在手边用的，由于经费限制，很多实验室也买不起这样的设 备，所以实际上这些高价仪器的应用范围受到很大的限制。并且这些技术都被外 国垄断，国内这些方面的研究比较落后，导致中国民用以及军用设备严重依赖于 外国。 高速、高精度模数变换器( a d c ) 是无线通信、雷达和遥测、遥感以及医学 图像方面的关键元件，在这些应用领域中，a d c 的主要技术指标是孔径不确定性 ( 也称为孔径抖动) 。现在，模拟和数字集成电路的技术进步使孔径抖动达到亚皮 秒级( 1 0 - 1 2 秒) 。一些研究时钟抖动测量的人想到，可以利用对a d c 输出信号参 数的分析反推采样时钟抖动。在这里，待测时钟是a d c 的采样时钟。已经有人提 出利用a d c 测量时钟抖动的几种方法，比如相干采样法( 包括简单相干采样法和 复杂相干采样法) 和信噪比测量法( 或者简称信噪比法) 1 2 j 。 2 第一章绪论 目前测量时钟抖动可分为直接测量和间接测量两类。所谓直接测量是指通过直 接测量时钟的各个周期大小来测量时钟抖动( 这里主要是指时间间隔测量法) ， 而间接测量法是指通过测量相位噪声、功率谱密度或者其他变量，然后通过这些 参量的计算式得到时钟抖动的一些测量方法，利用a d c 测量时钟抖动是一种间接 测量法。 对一个高速时钟的周期进行连续测量会遇到“死时间一等问题，只能采用抽取 的方法得到一部分周期的测量值( 样本) ，然后根据样本值推算时钟的抖动。这 就是时间间隔测量法，这是一种直接测量法。这种技术的优点是：采集抖动过程 的耗费时间短，抖动获取快速，运用时间间隔仪器采集测量具有较高时效性。局 限性：对一些具有高频特征的周期性抖动p j 会出现采样过低失真的现象。相噪法 测量是利用时钟抖动和相噪之间的关系， 相干采样法分为简单和复杂两种。这里， 通过测量相噪来反推抖动的测量方法。 我们讨论的是简单相干法，它是产生一 个频率为待测时钟信号频率整数倍的正弦信号与时钟信号相干，并利用a d c 技术 来测量时钟抖动。它是一种原理最基本、方法最直接、分析最简单的测量方法。 1 3 定时抖动测量的意义 在抖动研究中，抖动测量是一个极为重要的研究内容。对于抖动的每一个研 究领域、每一项论证实验以及每一篇抖动文献都是围绕着抖动测量问题而展开的， 抖动测量既是抖动研究所必需的方式也是抖动研究最终的目的。 在高速串行数据通信中，由于信号频率达到2 g h z 以上，其电压摆动频率收缩 到一定程度，系统中的定时抖动会成为影响信号质量的关键因素。因此，抖动就 成为了通信系统性能界定的一个基本指标。如果能够测量出抖动的统计特性，那 么就可以比较抖动的每一个成分以及它的规律特性，这样就可以确定分解成分的 界限。但是，就仅仅这一项是不能够让我们有效地精选和调试设计的关键参数。 只有对抖动进行完完全全地分析，才能解析产生抖动的根源，以便能够系统性地 减少它们，而非进行反复实验。 在数据传输过程中，任何微小的时钟和数据抖动都会对整个系统产生巨大的 影响，在这种情况下，抖动已经成为设计高速数字系统成败的关键。采用高速串 行技术的p c i e x p r e s s 的最新标准支持的数据率已经到5 g b s ，一个u i ( 单位间隔： 抖动的绝对值和系统时钟周期的比值) 的宽度仅2 0 0 p s ，任何微小的抖动都会导致 数据传输错误。从当前各种高速串行总线和数据链路的定时余量规范中表明，在 3 电子科技大学硕士学位论文 数字系统中严格地控制抖动是必须的。只有全面有效的测试和分析抖动，其根本 原因才能被隔离，从而针对引起系统抖动的原因来减少抖动，提高通信系统性能 和稳定性。像p c i - e x p r e s s 、f b d 、i n f i n i b a n d 、s e r i a l a t a 和d v i 等高速总线都对 于时钟、数据抖动有明确要求。 1 4 论文结构安排 综上所述，抖动问题在现今人们对数据通信高速率需求的不断增长，高速串 行通信系统的传输速率飞速提高的背景下极为受到关注。本文研究的主要目的是 深入理解和分析抖动这一物理现象的特征，研究测量抖动的a d c 技术。论文的主 要章节内容分配如下： 第一章为绪论。讨论了时钟抖动测量的现状，以及时钟抖动测量的意义，并 对论文结构安排作了简要介绍。 第二章首先简单介绍了常见的五种时钟源，接着给出了时钟抖动的定义，并按 照不同研究领域的传统分类方法，介绍了数据采集和串行通信中的各类抖动的定 义；随后分析了频谱密度、功率谱密度以及相位谱密度的关系以及相位噪声与时 钟抖动之间的关系；然后简要介绍了抖动在串行信号中的传播；最后利用s i m u l i n k 搭建了一个抖动发生器。 第三章从a d c 的概念出发，首先按照a d c 的模数转换过程，分别介绍了 “采样保持 电路和“量化编码 电路，并介绍了a d c 的主要技术指标。然 后重点介绍了利用a d c 采样测量时钟抖动的简单相干采样法，并给出了利用a d c 测量时钟抖动的方法的原理，通过m a t l a b 对这种测量方法进行了仿真分析。并 且在最后介绍了抖动的分解方法。本章的重点是推导了简单相干采样法测量时钟 抖动的定量表达式，给出它们的测量步骤以及仿真验证结果。 第四章介绍的是简单相干法测量时钟抖动的测试平台的搭建。在有限的实验 设备条件下，利用a d c 测量时钟抖动。在本章提出了两种方案来产生相位可调的 正弦信号用以与时钟信号相干，一种是利用l c 谐振电路：另一种是利用d d s 技 术。为了验证a d c 测量方法，在实验中利用f p g a 搭建了一个抖动发生器。最后 用m a t l a b 分析了a d 卡采集到的数据。 第五章进行了总结和展望，首先对全文的研究工作进行了总结，并对下一步 的研究工作进行了展望。 4 第二章时钟抖动分析 2 1 时钟信号的产生 2 1 1 原子钟 第二章时钟抖动分析 原子是组成单质和化合物分子的最小微粒。由居于原子中心带正电的原子核 和核外带负电的电子构成。由于粒子的运动，一个原子可能处于各种状态，并与 其所具有的能量相对应。具有最低能量的状态叫基态，受外界影响( 如磁场、电 磁波辐射等) 能量随之变化的状态称为激发态。原子从一个能级跃迁到另一种能 级时，它辐射或吸收一定频率的光子。光子能量由这两个能级能量差决定，即 y = 衄h ，其中血为高低能态的能量差，h 为普朗克常数，y 为谐振频率( 电磁 辐射能的谐振频率) 。 人类在有关时间标准的科学发展史上，曾出现过一级时间标准，如世界时、 历书时，二级时间标准，如日晷、刻漏和近代的机械钟、石英钟，而最高精度和 最高稳定性的计时装置，是2 0 世纪5 0 年代问世、7 0 年代发展成熟的原子钟。1 9 6 7 年国际计量大会决定：以零磁场下1 3 3 c s 铯原子基态两个超精细结构能级间的跃 迁频率作为国际通用频率标准，与它相应的电磁波振荡9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 个周期为1 秒 钟。现在全世界都以铯钟作计时标准。 原子钟为什么有如此高稳定高精度的计数功能呢? 物理学量子理论指出，当 原子发生能级跃迁时，要吸收或放出确定频率的电磁波，能级差与频率关系： y = a e h ，且频率完全由原子本身性质决定，与外界几乎无关。实际应用的原子 频率来源于单价原子1 3 3 c s 铯基态超精细能级间的跃迁频率，这样的能级由原子 核的磁矩、电矩和核外电子相互作用使原子能发生精微分裂而形成。以上事实决 定了原子钟具有极高的稳定度和精确度。另外，其运行机制类似于石英钟，但精 度比石英钟更高【j j 。 2 1 2 晶体振荡器 原子钟虽然精度和稳定度都很高，然而其造价昂贵，并且对于大部分应用， 并不需要十分高频率精度和频率稳定度，因此绝大部分低端应用都采用晶体振荡 5 电子科技大学硕士学位论文 器作为时钟源。晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子( 即谐振器) 和振 荡电路组成。石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于 彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为 数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。 石英晶体振荡器是利用石英晶体( 二氧化硅的结晶体) 的压电效应制成的一 种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片( 简 称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等) ，在它的两个对应面上涂敷银层作为 电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶 体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用 玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。 国际电工委员会( i e c ) 将石英晶体振荡器分为4 类：普通晶体振荡( s p x o ) ， 电压控制式晶体振荡器( v c x o ) ，温度补偿式晶体振荡( t c x o ) ，恒温控制式晶 体振荡( o c x o ) 。目前发展中的还有数字补偿式晶体振荡( d c x o ) 和微机补偿 晶体振荡器( m c x o ) 等等。 2 1 3 锁相环 锁相环p l l ( p h a s e 1 0 c k e dl o o p ) 电路的一个主要用途是将含有噪声的振荡器 放在锁相环环路内，使它的相位锁定在一个纯的信号上，使振荡器本身的噪声被 抑制，它的输出将被大大地提纯。基于这个原理做成的频率合成器称为锁相环频 率合成器。锁相环的另外一个性能是恢复淹没在噪声中的信号的相位和频率，从 而可以对信号进行相干检测。 一个简单的p l l 基本结构如下图所示： s d q ) 图2 1p l l 工作原理 图2 1 为p l l 的方框图，它的工作过程如下：相位比较器把输入信号墨( f ) 作 6 第二章时钟抖动分析 为标准，将它的频率和相位与从v c o 输出端送来的信号最( f ) 进行比较。如果在它 的工作范围内检测出任何相位( 频率) 差，就产生一个误差信号罡( ，) ，这个误差 信号正比于输入信号s , c 0 和v c o 输出信号( ，) 之间的相位差，通常是以交流分 量调制的直流电平。由低通滤波器滤除去误差信号中的交流分量，产生信号毋( ，) 去 控制v c o ，强制v c o 朝着减小相位频率误差的方向改变其频率，使输入基准信 号置( ，) 和v c o 输出信号最0 ) 之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0 ，这时我 们就称环路已被锁定。 如果v c o 的输出频率低于输入基准信号的频率，相位比较器的输出振幅就为 正，经滤波后去控制v c o ，使其频率增加，直到两个信号的频率和相位精确同步。 相反，若v c o 输出频率高于输入基准信号，相位比较器的输出会下降，使v c o 锁定在输入基准信号的频率。 2 1 4 数据时钟恢复 高速数据传输采用的是差分对的串行技术( 铜线) 或单光缆技术，时钟信号 不用单独的线路传送，因此一项新的技术应运而生，即数据时钟恢复( c l o c ka n d d a t ar e c o v e r y ，c d r ) 技术。 c d r 技术是从数据跳变信息中抽取出同步的时钟。采用这样的手段，不但可 以节省设备开销，而且可以解决数据和时钟的同步问题。c d r 要将时钟从非同步 的、有噪声的数据中抽取出来，而且要将数据重新定位以消除传输中抖动的积累。 c d r 技术是高速串行通信中应用最为广泛的时钟。一个简化的c d r 系统如下刚4 】： 图2 - 2 简化的c d r 系统 从时钟恢复电路恢复出来的时钟( c l o c k ) ，在重定时电路中锁存数据( d a t a ) 产生。经过传输线路来的数据可能已积累了相当大的抖动( j i t t e r ) ，由d a t a 恢 复的c l o c k 保证它们之间的固定相位关系，得到与c l o c k 同步的、比较“干净 的 数据。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 5 直接数字频率合成器 直接数字频率合成( d i g i t a ld i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 技术是一种新的频率 合成方法，是频率合成技术的一次革命，j o s e p ht i e m e y 等3 人于1 9 7 1 年提出了直 接数字频率合成的思想，但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制， d d s 技术没有受到足够重视，随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和 微电子技术的发展，d d s 技术日益显露出它的优越性。 八十年代以来各国都在研制和发展各自的d d s 产品，如美国q u a l c o m m 公 司的q 2 3 3 4 ，q 2 2 2 0 ；s t a n f o r d 公司的s t e l 1 1 7 5 ，s t e l 1 1 8 0 ：a d 公司的 a d 7 0 0 8 ，a d 9 8 5 0 ，a d 9 8 5 4 等。这些d d s 芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百 兆赫兹不等，芯片从一般功能到集成有d a 转换器和正交调制器。 2 2 抖动的分析 2 2 1 抖动的定义 根据s o n e t 规范【5 】， j i t t e ri sd e f i n e da st h es h o r t t e r mv a r i a t i o ni nt h es i g n i f i c a n t p o i n t so f ad i g i t a ls i g n a lf r o mt h e i ri d e a lp o i n t si nt i m e ”，可以理解为抖动是定时边沿 偏离了它们的“正确 位置的短时变化( 如图2 3 所示) 。 乞b tt n 一n 。理想边沿 实际边沿 相矗壶化 图2 - 3j i t t e r 的定义 上图中，平滑的实线是实际的模拟波形，虚线是理想波形，水平直线是判决阈。 理想时刻疋是理想波形与判决阈的交点，乞是实际模拟波形与判决阈的交点，抖 动又叫相位差。：。= 一乙。 在高速总线、高速链路传输、无线通信和高速数据采集领域，随着电路设计 速度的提高，信号尤其是时钟的抖动对系统性能的影响越来越大。对于数据传输 来说，抖动产生的后果会引起数据传输错误。对于采样系统，尤其是无线通信的 前端采样来说，抖动会降低系统的信噪比，严重时甚至导致系统不能工作。 g 第二章时钟抖动分析 2 2 1 1 短时的定义：抖动与漂移 根据惯例，定时变化量分为两大类：抖动( j i t t e r ) 和漂移( w a n d e r ) 。漂移是 指变化慢的时间偏差，抖动是指变化快的时间偏差。i t u 把漂移和抖动之间的界限 定义为1 0h z ，即变化频率高于1 0h z 的称为抖动，低于1 0h z 的称为漂移【3 1 。在 大多数情况下，串行通信传输中的漂移很少出现而且造成的影响很小，可以使用 时钟恢复电路有效的消除它。 。 2 2 1 2 有效瞬间的定义：参考阈值 我们的定义是，有效瞬间就是数字信号的逻辑状态发生改变的时刻或边沿。 更为明确的说法就是，有效瞬间就是信号跳变沿与选取的幅度阈值相交的那些交 点时刻，这里的阈值可以是参考电平，也可以是判决阈。对于只有两种电平的信 号( 目前大部分都是这种情况) ，信号电平的平均值经常用作参考阈值。如果将期 望信号作为施密特触发器的输入，有可能在分析上升沿时使用一个参考阈值，而 分析下降沿时却使用另外一个参考阈值。 实际上，我们定义的“数字信号 是不够恰当的，这是因为对于高速信号来 说，其跃变也会类似模拟信号，会受到上升时间和斜率的限制。在很短但是有限 的时间里，当信号倾斜地通过参考阈值时，使波形失真的任何一种电压噪声都将 相应地转变成定时抖动。 2 2 1 3 理想位置的定义：时钟恢复 在一个数字信号偏离其理想位置的偏差被测量出来之前，这些理想位置必须 已知。对于一个类似于时钟的信号( o ，1 交替出现) 而言，各个理想位置与一个 同频同相的无抖动时钟信号的各个位置相对应。在数据信号中要特别注意的是， 在一串数据中相同的比特连续出现两次或更多次时，信号跃变现象将不会发生。 时钟恢复是指建立参考时钟时序的过程。 2 2 2 抖动的分类 总抖动t j ( t o t a lj i t t e r ) 被分成两大类：确定性抖动d j ( d e t e r m i n i s t i cj i t t e r ) 和随机抖动r j ( r a n d o mj i t t e r ) 。确定性抖动又分为：数据相关抖动( d d j ) 、周期 性抖动( p j ) 、周期间抖动( c c j ) 和有界的不相关抖动( b u j ) 。数据相关抖动主 要包含占空比失真抖动( d c d ) 和码间干扰( i s i ) 这两种抖动。如图2 4 所示【6 】： 随机抖动是由大量的累积过程引起的。每个累积过程都具有相当小的量级， 9 例如热噪声、轨迹宽度的变化、散粒噪声等等。根据中心极限定律：很多不相关 的噪声源，同作用生成的噪声接近于高斯分布【”， 小) = 志w 卜尘】 江 i 竺竺! 竺竺j i 2 - 5 钏一o l 随机抖动有一个很重要的特点：它的p d f 是无界的。这就是说，虽然大多数 的随机变量采样点都集中在均值附近，但是理论卜也有个别变量值比均值人得多。 如果从这种分布中提取的样本越多，那么测得的峰峰值( p e a k p e a kv a l u e ，p p ) 会 越大。随机抖动是无界的意味着无法定义它的峰峰值。南于其早高斯分布，所h 可以j 标准差d 来定义它的大小。 逸 第二章时钟抖动分析 确定性抖动是由相对确定的抖动源引起的，具有重复性和可预测性的特点。 例如电磁干扰，反射和信道频率响应。正园如此这个捎动的峰到峰值具有上下 限，在观察相对较少数量的d j 基础上，人们通常能够阻高置信度去预测与估算其 峰峰值，实现d j 的量化。它之所以被叫作“确定性”抖动是因为：原则上，如果 你了解系统的所有信息，那么你就能够准确的预测每个阶段的抖动。确定性抖动 也有一个很重要的特点：它的p d f 是有界的( 而随机抖动的p d f 是无界的) ，听 且还常常能够根据少量的合理的测量值直接观测和估计其峰峰值，具有较高的置 信度。因此和随机抖动不同的是，可| 三【用它的峰峰值，w ( p p ) 来定义确定性 抖动”i 。 m 现概率y 卅现概率y l _ 正 抖动值x 抖动优x 图2 巧确定性刳动 总抖动的p d f 是随机抖动和确定性抖动的卷积，并且由于随机抖动的存在， 总抖动的p d f 是无界的。也l 蚓此，无法用峰一峰值来定义总抖动。事实上，测攮的 越久，总抖动的p d f 可能越大。 2 3 数据采集中的时钟抖动 在进行数据采集时，最常见的几个抖动是：周期抖动( p j ) 、周期间抖动( c c j ) 和删间间隔误差( 又叫累积抖动，t i e ) 。图27 中是一个带有 爿动的时钟信号， 其中虚线表示没有判动的时钟理想跳变位置ii 。 。：。“卜。j “弋，_ 目耋王霉譬4 陶2 - 7p j 、c c j 和t i e 的定义 电子科技大学硕士学位论文 上图中测量值p 1 、p 2 和p 3 表示测试波形的周期。周期抖动p j ，是测量信号 周期与理想时钟周期的偏差。周期间抖动c c j ，由图中c 2 和c 3 值来表征，测量 的是测试波形的任意两个相邻的时钟周期之间的偏差。时间间隔误差t i e 测量的 是每个跳变沿与理想位置的偏差。t i e 表现了累积效应，这种效应甚至会引起原本 较小的周期抖动变得很大，所以t i e 又叫累积抖动。 假设理想时钟的周期为t ，测试波形的第n 个跳变沿发生在时刻n ，而理想时 钟的跳变沿在时刻n t ，那么上面三种抖动的定义如下： j 口= 乙一乙一l t = p 2 一t ( 2 - 2 ) j 。= p 3 一p 2 ( 2 - 3 ) z = 乞- n t ( 2 4 ) j p 是周期抖动，l 是周期间抖动，z 是累积抖动，即时间间隔误差t i e 。 2 4 时钟抖动和相位噪声 2 4 1 傅立叶变换 对一个离散时间序列x ( n ) ( 或者一个连续时间函数x ( o ) ， 【9 】【10 】f 1 1 】如下： ( 1 ) 非周期连续时间信号的傅氏变换和反变换， z ( q ) = f 。x ( f ) p 一埘d t 坪) 2 击f ： x ( j f i ) e j m 孢 ( 2 ) 周期连续信号的傅氏变换和反交换， x ( 聊q 。) = z ：了p 叫枷一d f x ( ，) ：芝工( 珑q 。) p j mn o t 其中，q 。= 等= 2 万厂 ( 3 ) 非周期离散时间信号的傅氏变换和反变换， x ( c o ) = z ( 嚣) g 叫口 打= 一 1 2 傅立叶变换的定义 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第二章时钟抖动分析 小) = 专x ( 础舯d 缈 ( 4 ) 周期离散时间信号的傅氏变换和反变换， x ( 七) =