高速資料鏈路使得存取資訊的速度大幅提升。
這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員從初始設(shè)計(jì)、測(cè)試到標(biāo)準(zhǔn)遵從，
各個(gè)應(yīng)用層都面臨著更種技術(shù)挑戰(zhàn)。
在今天，我們存取資訊的速度大幅提升，如我們?cè)诰W(wǎng)際網(wǎng)路上接入視訊流、利用各種雲(yún)端應(yīng)用等。這個(gè)超快世界構(gòu)建的基礎(chǔ)就是高速資料鏈路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在從初始設(shè)計(jì)及測(cè)試到標(biāo)準(zhǔn)遵從等各個(gè)應(yīng)用層面臨著多種技術(shù)挑戰(zhàn)。
他們必須克服的挑戰(zhàn)之一，就是指定工作能力足以滿足多種相關(guān)串列通訊標(biāo)準(zhǔn)（如PCI-Express、USB、乙太網(wǎng)路、SATA及Infiniband）需求的時(shí)脈產(chǎn)生及分配元件。
市場(chǎng)上有不同類型的時(shí)脈源及分配元件。根據(jù)性能，這些元件通常可以分類如下：
- 1.標(biāo)準(zhǔn)性能 – 針對(duì)消費(fèi)性電子產(chǎn)品等應(yīng)用，通常以時(shí)域抖動(dòng)參數(shù)來(lái)指定；
- 2.高性能 – 須以頻域參數(shù)來(lái)指定。時(shí)域參數(shù)在這類應(yīng)用不適用，因?yàn)闀r(shí)域儀器呈現(xiàn)出更高的底噪。應(yīng)用最廣泛的頻域參數(shù)是相位雜訊及相位抖動(dòng)。
關(guān)鍵抖動(dòng)技術(shù)
抖動(dòng)可以定義為「數(shù)位信號(hào)在有效瞬間離其理想位置的短期非累積型偏移」或「時(shí)脈沿到達(dá)時(shí)間與其實(shí)際或預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間的差值」。根據(jù)不同的測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用要求，高速設(shè)計(jì)中常用一系列的行業(yè)術(shù)語(yǔ)。
根據(jù)應(yīng)用要求，抖動(dòng)在時(shí)域或在頻域測(cè)量。
時(shí)域抖動(dòng)參數(shù)包括：
- 1.逐週期抖動(dòng) – 此參數(shù)測(cè)量一定數(shù)量週期（如1k或10k個(gè)週期）內(nèi)相鄰週期的時(shí)脈週期差異。對(duì)於不能接受頻率或週期突然變化的應(yīng)用而言，這是個(gè)重要參數(shù)；
- 2.峰值至峰值抖動(dòng) – 這類抖動(dòng)提供一定數(shù)量週期內(nèi)最大週期與最小週期之間的差異；
- 3.時(shí)間間隔誤差(TIE) – 測(cè)量各個(gè)週期之時(shí)脈週期相對(duì)理想時(shí)脈週期的差異。
- 頻域抖動(dòng)參數(shù)則如下：
- 相位抖動(dòng) – 相位抖動(dòng)是在一定偏移頻率範(fàn)圍內(nèi)在頻域測(cè)量的跟時(shí)域等同的整合相位雜訊。
測(cè)量裝置
時(shí)域裝置(如高頻示波器)可以測(cè)量逐週期抖動(dòng)、週期抖動(dòng)及TIE，以及進(jìn)行逐週期、標(biāo)準(zhǔn)偏差等不同表徵之測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。時(shí)域測(cè)量捕獲所有頻率的抖動(dòng)(限制在時(shí)域的訊號(hào)在頻域無(wú)限制)，使用數(shù)學(xué)模型，可以基於時(shí)域參數(shù)近似獲得頻域參數(shù)。可以應(yīng)用快速傅立葉變換(FFT)及濾波來(lái)進(jìn)行這些近似計(jì)算。時(shí)域測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)型抖動(dòng)(通常在本質(zhì)上呈現(xiàn)週期性)有用，但前面提到的時(shí)域儀器底噪通常高於頻域儀器。相位雜訊分析儀及頻譜分析儀通常用於頻域測(cè)量。
抖動(dòng)源
知道實(shí)際抖動(dòng)源有利於弄清不同頻率範(fàn)圍內(nèi)的關(guān)鍵抖動(dòng)來(lái)源因素，以及預(yù)測(cè)量方法的準(zhǔn)確度。時(shí)脈產(chǎn)生器本身可能固有時(shí)脈訊號(hào)抖動(dòng)，或者，它也可能被電路板、甚至是它正在被測(cè)量的環(huán)境中的周圍元件影響。
抖動(dòng)的產(chǎn)生原因可以分為兩類：
- 1.隨機(jī)抖動(dòng) – 隨機(jī)抖動(dòng)成分是時(shí)脈產(chǎn)生元件的固有雜訊/抖動(dòng)。它主要是由元件中的熱雜訊、散粒雜訊(shot noise)或閃變雜訊。數(shù)百飛秒(fs)的隨機(jī)抖動(dòng)無(wú)法使用示波器來(lái)測(cè)量，因?yàn)閮x器的底噪相比高得多(約1 ps)。當(dāng)測(cè)量較低的隨機(jī)雜訊時(shí)，推薦使用訊號(hào)源或相位雜訊分析儀。
- 2.確定性抖動(dòng) – 確定性抖動(dòng)成分是由電源、交流磁場(chǎng)或時(shí)脈產(chǎn)生器印刷電路板(PCB)上運(yùn)行的高速半導(dǎo)體元件的干擾導(dǎo)致的。確定性抖動(dòng)通常是週期性及窄帶抖動(dòng)。
相位雜訊圖
相位雜訊圖是單邊頻譜，顯示某個(gè)頻帶載波訊號(hào)的雜訊功率密度。它能使用冪律(power-law)雜訊處理來(lái)建模。圖一揭示了寬頻率範(fàn)圍的相位雜訊將怎樣被特定雜訊處理主導(dǎo)。
這些處理包括：
- 調(diào)頻（FM）隨機(jī)遊走雜訊（1/f4）–出現(xiàn)在低頻，此雜訊主要由示波器的物理?xiàng)l件導(dǎo)致（溫度變化、機(jī)械撞擊及振動(dòng)都對(duì)其長(zhǎng)期工作性能有影響）。
- 調(diào)頻閃變雜訊（1/f3）– 通常跟時(shí)脈產(chǎn)生器中使用的元件(如電源、振盪器等)的機(jī)械諧振有關(guān)。高品質(zhì)振盪器中，此雜訊會(huì)被標(biāo)示為調(diào)頻白雜訊（1/f2）或調(diào)相閃變（1/f）雜訊。
- 調(diào)頻白雜訊（1/f2） – 常見於使用無(wú)源諧振頻率作參考的時(shí)脈產(chǎn)生器，如外部晶體參考。
- 調(diào)相（PM）閃變雜訊（1/f） – 通常由產(chǎn)生器內(nèi)元件(如用於訊號(hào)放大的雜訊放大器或頻率乘法器)的乘法效應(yīng)導(dǎo)致。可以通過(guò)良好構(gòu)思設(shè)計(jì)及審慎選擇元件來(lái)降低這種雜訊。
- 調(diào)相白雜訊（1/f0）– 主要由內(nèi)部元件的熱雜訊導(dǎo)致，本質(zhì)上是寬頻。同樣可以通過(guò)審慎選擇元件及在輸出使用窄帶濾波來(lái)降低這種雜訊。
測(cè)量相位雜訊
相位雜訊分析是透過(guò)從時(shí)脈訊號(hào)移除載波並將相位雜訊留在頻帶來(lái)操作的。頻譜分析儀顯示頻域訊號(hào)的雙邊頻譜或全部頻譜。頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍有限，無(wú)法測(cè)量數(shù)十飛秒或更短時(shí)間的底噪，因此，需要相位雜訊分析儀或訊號(hào)源分析儀來(lái)進(jìn)行相位雜訊分析。
如圖二所示，圖中產(chǎn)生了精確的載波頻率參考訊號(hào)，並移相至與載波訊號(hào)混頻。這就消除了載波頻率的頻譜能量。混頻器輸出透過(guò)低通濾波器傳送給頻譜分析儀，用於測(cè)量雜訊頻譜密度。進(jìn)一步處理後，與載波功率頻譜密度直接相關(guān)的單邊雜訊頻譜顯示在篩檢程式螢?zāi)簧稀?/span>
在圖三中，相位雜訊圖從10Hz參考頻率偏移開始，增加至40MHz。此圖歸一為載波頻率的載波頻譜能量，提供寬動(dòng)態(tài)範(fàn)圍以測(cè)量及顯示相位雜訊。所需偏移頻率範(fàn)圍內(nèi)的相位抖動(dòng)可以通過(guò)對(duì)這些頻率上相位雜訊進(jìn)行積分來(lái)計(jì)算，計(jì)算也可以包括其他邊的雜訊成分。
| 圖三 : 100 MHz訊號(hào)的相位雜訊圖。 |
|
還應(yīng)該提及其他幾種抖動(dòng)現(xiàn)象。毛刺（spur）的存在實(shí)際上很普遍。在圖三所示的相位雜訊圖中，不同的偏移頻率都出現(xiàn)了毛刺（spur-1及spur-2）。毛刺是週期性的，毛刺可能源自元件自身，或是測(cè)量設(shè)置中的其他源頭。毛刺頻率能夠與其成因關(guān)聯(lián)起來(lái)，如果它們?cè)醋酝獠凯h(huán)境，就可以採(cǎi)取預(yù)防措施。
然而，如果元件包含特定頻率的抖動(dòng)，就可能損及其效用。使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，可以單獨(dú)計(jì)算出均方根(RMS)抖動(dòng)中各個(gè)毛刺的成分。任何低於載波頻率10 Hz偏移頻率的抖動(dòng)都稱作漂移(wander)。
由於漂移是低頻抖動(dòng)，它不會(huì)給鎖相環(huán)（PLL）造成問(wèn)題，因?yàn)镻LL帶寬能夠越過(guò)漂移。由於漂移對(duì)眾多應(yīng)用並不重要，相位雜訊圖就從10Hz的最小偏移頻率開始，並延伸至20至40MHz。上限通常由訊號(hào)源分析儀的內(nèi)置濾波器設(shè)定。
結(jié)語(yǔ)
標(biāo)準(zhǔn)性能時(shí)脈根據(jù)逐週期抖動(dòng)、峰值至峰值抖動(dòng)及TIE等時(shí)域參數(shù)來(lái)指定。在消費(fèi)類應(yīng)用中驗(yàn)證這些參數(shù)就足夠了。但超出這個(gè)範(fàn)疇，情況就不一樣了。當(dāng)為非消費(fèi)類系統(tǒng)設(shè)計(jì)指定高性能時(shí)脈元件時(shí)，時(shí)域儀器的底噪問(wèn)題使得有必要使用頻域測(cè)量（如相位雜訊）。
相位雜訊圖能夠詳細(xì)描繪給定頻帶內(nèi)各種雜訊源的影響。瞭解毛刺及漂移等其他抖動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步幫助提升測(cè)量精度，因而有可能選擇符合特定應(yīng)用要求的恰當(dāng)時(shí)脈產(chǎn)品。
（本文作者任職於安森美半導(dǎo)體）
