完美的时序：用抖动与相位噪声测量做时钟分频

当测量超低抖动的器件与设备时，工程师们必须时刻问一个问题：测得的值是来自DUT(待测设备)，还是来自测试设备。工程师们也总在寻找一些能扩展手头设备能力的方法。本文描述了一些实用的方式，用于将较高频率VCO(压控振荡器)的时钟信号做分频处理。

大多数用于测量抖动的现代设备都可以划分到两大类中的一个：时域或频域。时域设备通常是一种高速数字示波器的形式，有高的单次采样带宽。频域设备一般的形式是频谱分析仪、带相位噪声测量功能的频谱分析仪，或相位噪声分析仪。这两大类中，每一类设备都有自己的优点与缺点。不过，它们测量的都是相同现象，只是采用不同方法。

逐周期的峰值抖动是在一个固定数量周期内(一般是1000个或10000个)，逐个相邻周期之间的最大差值。当需要限制频率上的突变大小时，就需要使用它。例如，当驱动一个PLL(锁相环)时，可能希望限制频率中的瞬时变化大小，以确保下游PLL保持锁定(图1)。

峰峰周期抖动是在某个观测窗内(同样，一般是1000个或10000个周期)，所有时钟周期中最大时钟周期与最小时钟周期之间的差值(图2)。这是一个确保数字系统中触发器建立与保持时间的有用规格。“峰峰”的意思是指一次测量中，最小和最大采样周期值之间的差值。

TIE(时间间隔误差)抖动(或叫累积抖动，也叫相位抖动)是在所有时钟周期上与理想时钟周期的实际偏差(图3)。它包括了在所有抖动调制频率上的抖动，通常用于WAN(广域网络)的时序应用，如SONET(同步光网络)、同步以太网，以及OTN(光传送网络)。

可以建立各种类型的抖动统计，如rms(均方根)、峰峰、逐周期、周期，以及TIE抖动，不过有些更常用。当采用峰峰统计方法时，采样数必须足够大，才能提供可信的测量。这种测量通常要包含1000至10000个采样。

时域设备可以直接测量峰峰、逐周期、周期以及TIE抖动。这种测量方案能够用于测量低频时钟或载波信号的抖动。在数据后处理时采用FFT(快速傅里叶变换)、数字滤波器以及其它技术，就可以对一个频率段上的相位噪声值做积分，生成rms相位抖动值。时域设备在测量数据相关抖动时优于频域系统，因此可用于具有SERDES(串行器/解串器)技术的高速串行链接。

频域设备无法直接测量峰峰、逐周期或周期的抖动；它原生的能力是测量一个给定频段上某信号的rms功能。频域设备还难以测量与数据相关的抖动。然而，高质量频域仪器的本底噪声低于时域设备，因此，对于没有数据相关抖动的超低相位噪声时钟信号测量，频域设备就是最好选择(表1)。

由于本文的中心是低抖动时钟信号的测量问题，因此省略了对时域设备的进一步讨论，只是提示大家，在从一种抖动测量转到另一种测量时，可以采用各种数学估算与变换方法。例如，用一个波峰因数和所需要的BER(误码率)，就可以在峰峰与rms抖动之间来回换算。另一个例子是用一个时域数据的FFT，提供频域信息与滤波。不过，多数这类技术都要依赖于数学模型，这些模型可能在多数情况下有很好的近似，但有局限。因此，只能特别小心地使用它们。

有一个值得进一步研究的问题是时钟(或载波)频率对抖动测量的影响。直觉上，由一个理想分频器切分的时钟信号在其输入与输出端都有相同的时钟沿抖动(图4)。在图4中，上方频率为FO的抖动信号通过一个完美分频器除以2，产生一个FO/2的时钟频率。两个信号有相同的抖动JO。注意，较低时钟信号的抖动能量是较高时钟信号的一半，因为在给定的时间间隔内，其边沿减半。

对大部分器件来说，两个时钟信号有相同JO的直觉是正确的，虽然事实上，一个被2除的时钟信号的相位噪声要比原时钟信号的相位噪声低6dB。注意对于除以2的情况，6dB=20×log2。

下面的例子给出了相位噪声与抖动被2除的效果。这些测量采用了一只Silicon Laboratories的Si5324 PLL器件(图5)。注意，高速VCO对输出时钟做再同步，而不管最终的输出频率，这意味着对所有可能的分频器值，边沿的形状与位置都应是相同的。唯一不同的应该是在给定时间间隔内出现的少数几个时钟边沿。虽然存在一些重新定时噪声，但它对所有分频器值都是一样的(图6)。