原创 你以为你了解抖动了？#D0130

抖动（Jitter）是数字信号，尤其是高速的数字信号的一个非常关键的概念。如下图所示，抖动反映的是数字信号偏离其理想位置的时间偏差。

抖动这个概念说起来人人都知道，但实际上仔细研究起来是非常复杂的。

关于抖动概念的理解有以下几个需要注意的方面：

 抖动的频率范围：抖动实际上是时间上的噪声，其时间偏差的变化频率可能比较快也可能比较慢。通常把变化频率超过10Hz以上的抖动成分称为jitter，而变化频率低于10Hz的抖动成分称为wander（漂移）。Wander反映出的主要是时钟源随着时间、温度等的缓慢变化，影响的是时钟或定时信号的绝对精度。在通信或者信号传输中，由于收发双方都会采用一定的时钟架构来进行时钟的分配和同步，缓慢的时钟漂移很容易被跟踪上或补偿掉，因此wander对于数字电路传输的误码率影响不大，高速数字电路测量中关心的主要是高频的jitter。

 理想的跳变位置：抖动是个相对的时间量，怎么确定信号的理想的跳变位置对于抖动的测量结果有很关键的影响。对于时钟信号的测量，我们通常关心的是时钟信号是否精确地等间隔，因此这个理想位置通常是从被测信号里提取的一个等周期分布时钟的跳变沿；而对于数据信号的测量，我们关心的是这个信号相对于其时钟的位置跳变，因此这个理想跳变位置就是其时钟有效沿的跳变位置。对于很多采用嵌入式时钟的高速数字电路来说，由于没有专门的时钟传输通道，情况要更复杂一些，这时的理想跳变位置通常是指用一个特定的时钟恢复电路（可能是硬件的也可能是软件的）从数据里恢复出的时钟的有效跳变沿。

 时间偏差的衡量方法：由于信号边沿的时间偏差可能是由于各种因素造成的，有随机的噪声，还有确定性的干扰。所以对这个时间偏差通常不是一个恒定值，而是有一定的统计分布，在不同的应用场合这个测量的结果可能是用有效值（RMS）衡量，也可能使用峰峰值（peak-peak）衡量，更复杂的场合还会对这个时间偏差的各个成分进行分解和估计。因此抖动的精确测量需要大量的样本以及复杂的算法。

抖动的衡量方法

当要对进行抖动进行衡量和测量时，需要特别注意的是，即使对于同一个信号，如果用不同的方法去进行衡量，得到的抖动测量结果也可能是不一样，下面是几种常用的抖动测量项目。

 周期抖动（Period jitter）：对于时钟信号，我们最关心的是其周期是否是等间隔。理想的时钟应该每个周期长度都是一样的，但如果信号有抖动其周期就可能会有变化。因此通过直接对时钟信号的多个周期进行测量和统计，就可以得到信号周期的平均值、峰峰值、RMS值等。下图是对一个带抖动的50MHz的时钟信号进行周期抖动测量的结果，虽然从原始的时域波形上人眼很难观察到信号中的细微的抖动，但是借助于相应的抖动分析软件，我们可以观察到信号周期随时间的变化曲线，以及信号周期的最大值、最小值、周期变化的峰峰值、周期变化的方差等。

 周期到周期抖动（Cycle to Cycle jitter）：前面所述的周期抖动可以反映出时钟信号周期的变化范围，但反映不出时钟信号周期变化的快慢。对于很多同步的数字逻辑电路，如果时钟信号的周期变化是非常缓慢的，即使周期的变化范围非常大也不会产生故障，但是如果周期的变化是很快的，就有可能造成电路的故障。为了衡量时钟信号相邻周期的变化快慢，有时会用“周期到周期抖动”进行衡量。“周期到周期抖动”是对时钟信号相邻的两个周期相减。如果一段波形捕获了1000个周期，就可以得到999个“周期到周期抖动”的测量结果。对这些测量结果进行统计也可以得到其平均值、峰峰值、RMS值等。有些特殊的应用（比如针对DDR2/3的时钟信号）还定义了N-cycle jitter，即相邻N个时钟周期的抖动变化。下图是对同一个50MHz的时钟波形进行Cycle-Cycle抖动测量和统计的结果。

 时间间隔误差抖动（Time Interval Error）：所谓时间间隔误差，是指被测信号边沿相对于其参考时钟有效边沿的抖动。这个参考时钟可以是一个特定的时钟信号，也可以是从信号里恢复出的时钟。对于很多高速的串行数字信号来说，由于不象时钟信号那样有固定的周期，无法进行周期抖动的测量，因此大量使用的就是TIE抖动的测量方法。但是要注意的是时间间隔误差是一个相对的测量，怎么选择参考时钟以及如何进行时钟恢复都会影响到TIE抖动的测量结果，对于TIE抖动的测量要特别注意这一点。下图是对同一个50MHz的时钟信号进行TIE抖动的分析和统计结果，使用的是用最小方差法从信号里提取的一个恒定时钟做为参考时钟。

从前面举的例子可以看到，对于同一个信号，用不同的方式进行测量和衡量，得到的结果可能是不一样的。下图是另一个例子，对于同一个带抖动的时钟信号，对其进行周期抖动测量、周期到周期抖动测量以及时间间隔误差抖动测量，得到的结果可能是不一样的。因此，对于一个信号进行抖动测量之前需要先明确关注的抖动类型，否则测量结果的物理含义是不明确的。

对于更复杂的数字信号来说，人们除了关心其抖动的RMS值以及峰峰值以外，还会关心该抖动的不同组成成分，因为不同成分的抖动对于电路的影响是不一样的，相应的应对手段也不一样。比如很多高速总线都会对高速数字信号的随机抖动成分（Random Jitter）、周期性抖动（Periodic Jitter）、ISI抖动（Inter-Symbol Interference jitter）等进行进一步的分解和研究。

抖动是数字信号，特别是高速数字信号非常重要的一个概念，越是高速的信号，其比特周期越短，对于抖动的要求就越严格。抖动是个非常复杂的问题，后面我们有时间会专门详细讲解抖动的概念和测量方法。