数字系统抖动测试技术
jitter抖动（相位噪声）的概念及其测量方法（EyeDiagram）
抖动的概念及其测量方法摘要：在数字通信系统，特别是同步系统中，随着系统时钟频率的不断提高，时间抖动成为影响通信质量的关键因素。
本文介绍了时间抖动（jitter）的概念及其分析方法。
关键字：时间抖动、jitter、相位噪声、测量一、引言随着通信系统中的时钟速率迈入GHz级，抖动这个在模拟设计中十分关键的因素，也开始在数字设计领域中日益得到人们的重视。
在高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。
不仅如此，它还会导致通信链路的误码率增大，甚至限制A/D转换器的动态范围。
有资料表明在3GHz 以上的系统中，时间抖动（jitter）会导致码间干扰（ISI），造成传输误码率上升。
在此趋势下，高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。
本文向数字设计师们介绍了抖动的基本概念，分析了它对系统性能的影响，并给出了能够将相位抖动降至最低的常用电路技术。
二、时间抖动的概念在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号（以1MHz为例）的持续时间应该恰好是1us，每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是抖动。
抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。
在绝大多数文献和规范中，时间抖动（jitter）被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差，所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走（wander），而将变化较快的成分定义为时间抖（jitter）。
图1 时间抖动示意图1．时间抖动的分类抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动。
确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的，这种抖动通常幅度有限，具备特定的（而非随机的）产生原因，而且不能进行统计分析。
随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。
例如，能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素，就可能造成载子流的随机变化。
高速数字信号的眼图和抖动测量技术(基于Keysight示波器测量)
的，周期性波形
• 效果相当于调频FM
• 可能的抖动源：电源的EMI干扰、扩频时钟SSC的调制信号
TIE Trend曲线，即 TIE随时间变化的曲线， 呈现出正弦波特性
深圳市飞尔沃科技©
V 1.0
19
占空比失真DCD
• 不对称的上升边沿速率与下降边沿速率
• 不适当的判断门限选择
深圳市飞尔沃科技©
V 1.0
深圳市飞尔沃科技©
V 1.0
23
Bathtub曲线
• Bathtub曲线的中部大部分地 受到Rj的影响 • 靠向眼睛交叉点较大地受到Dj 影响 • 在既定的BER水平下，Dj的PkPk值与Rj的标准偏差值影响眼 睛的张开度
深圳市飞尔沃科技©
V 1.0
24
TJ(BER)的估算
For a BER = 10-12 JPPRJ = 14 s …7 for each tail
安捷伦仪器与仪表产品培训课程
高速数字信号的 眼图和抖动测量技术
深圳市飞尔沃科技©
V 1.0
1
内容纲要
第一部分：眼图和抖动测量简介 第二部分：眼图测量的操作步骤 第三部分：抖动测量的操作步骤 第四部分：抖动分解的操作步骤
深圳市飞尔沃科技©
V 1.0
2
第一部分： 眼图和抖动测量简介
深圳市飞尔沃科技©
抖动的常见术语
抖动测试的衡量方法
• 平均值(mean)
• 标准偏差(standard deviation)
• 峰-峰值(peak to peak)
深圳市飞尔沃科技©
V 1.0
14
抖动测量举例
0.0 ns 0.990 ns 2.000 ns 2.980 ns 4.000 ns
测试技术与信号分析汇总
测试技术与信号分析汇总一、测试技术的方法：1.传统测试方法：包括模拟测试和数字测试。
模拟测试主要通过模拟信号发生器、示波器等设备来测试信号，用于测试模拟电路和系统的性能。
数字测试则是利用数字信号处理和评估技术进行测试，包括用于测试和评估数字电路、数字系统和数字通信等方面的技术。
2.自动测试方法：自动测试系统是利用计算机和测试设备进行测试的一种技术。
通过编程和控制设备来实现自动化测试，提高测试效率和准确性。
自动测试方法被广泛应用于电子制造业和通信领域。
3.无线测试方法：用于测试和评估无线通信系统的性能和质量。
包括对无线信号的频谱分析、功率分析、调制解调分析等方面的技术。
无线测试方法在无线通信和无线电监测等领域有广泛的应用。
4.嵌入式测试方法：用于测试和评估嵌入式系统的性能和功能。
嵌入式测试方法主要包括对嵌入式软件和硬件的测试，包括对芯片、传感器、控制器等的测试。
二、信号分析的方法：1.时域分析：通过对信号的波形进行观察和分析，了解信号的振幅、频率、相位等特征。
常用的时域分析方法包括傅里叶变换、功率谱密度分析等。
2.频域分析：通过将信号转换到频域，分析信号的频率成分和幅度谱。
常用的频域分析方法包括快速傅里叶变换、频谱分析等。
3.谱分析：通过对信号进行频谱分析，了解信号的频率特性及其分布。
常用的谱分析方法包括功率谱密度估计、自相关函数估计等。
4.小波分析：通过小波变换将信号分解到多个不同频率尺度上，分析信号的时频特性。
小波分析方法在非平稳信号处理和信号检测等领域有着广泛的应用。
三、应用领域：1.通信系统：测试技术与信号分析在通信系统中广泛应用，例如利用频谱分析对通信信号进行分析，评估通信系统的性能和故障诊断。
2.电子制造业：测试技术是电子制造业中不可或缺的环节，通过测试技术对电子产品进行性能检测和质量控制，提高产品的可靠性和稳定性。
3.无线电监测：利用无线测试和信号分析技术对无线电频谱进行监测和分析，用于无线电干扰的监测和定位。
Agilent-眼图、抖动、相噪
Agilent——眼图、抖动、相噪随着数据速率超过Gb/s水平，工程师必须能够识别和解决抖动问题。
抖动是在高速数据传输线中导致误码的定时噪声。
如果系统的数据速率提高，在几秒内测得的抖动幅度会大体不变，但在位周期的几分之一时间内测量时，它会随着数据速率成比例提高，进而导致误码。
新兴技术要求误码率(BER)，亦即误码数量与传输的总码数之比，低于一万亿分之一(10-12)。
随着数据通信、总线和底板的数据速率提高，市场上已经出现许多不同的抖动检定技术，这些技术采用各种不同的实验室设备，包括实时数字示波器、取样时间间隔分析仪(TIA)、等时取样示波器、模拟相位检波器和误码率测试仪(BERT)。
为解决高数据速率上难以解决的抖动问题，工程师必需理解同步和异步网络中使用的各种抖动分析技术本文重点介绍3 Gb/s以上新兴技术的数据速率。
低于3 Gb/s的实时示波器可以捕获连续的数据流，可以同时在时域和频域中分析数据流；在更高的数据速率上，抖动分析要更具挑战性。
本文将从数字工程师的角度，介绍应对SONET/SDH挑战的各种经验。
抖动分析基本上包括比较抖动时钟信号和参考时钟信号。
参考时钟是一种单独的黄金标准时钟，或从数据中重建的时钟。
在高数据速率时，分析每个时钟的唯一技术是位检测和误码率测试；其它技术则采用某种取样技术。
如图1所示，眼图是逻辑脉冲的重叠。
它为测量信号质量提供了一种有用的工具，即使在极高的数据速率时，也可以在等时取样示波器上简便生成。
边沿由‘1’到‘0’转换和‘0’到‘1’转换组成，样点位于眼图的中心。
如果电压(或功率)高于样点，则码被标为逻辑‘1’；如果低于样点，则标为‘0’。
系统时钟决定着各个位的样点水平位置。
图1: 具有各项定义的眼图E1是逻辑‘1’的平均电压或功率电平，E0是逻辑‘0’的平均电压或功率电平。
参考点t = 0在左边的交点进行选择，右边的交点及其后是位周期TB。
Eye Crossing Point: 眼图交点Left Edge: 左沿Right Edge: 右沿Nominal Sampling Point: 标称样点幅度噪声可能会导致逻辑‘1’的电压或功率电平垂直波动，低于样点，导致逻辑‘1’码错误地标为逻辑‘0’码，即误码。
TDR测试原理
TDR测试原理评价频率响应的最普通的方法是在频域中解Ma某well方程。
这个过程能够把系统所有的物理和电气特性都考虑进去，包括传输线。
因而已经有很多基于此原理的测量方法来帮助电气工程师分析信号完整性。
当和其他测试方法比较时，时域反射（TDR：TimeDomainReflector）可以提供更加直观观察DUT的特性。
TDR使用阶跃信号发生仪和示波器，在被测得传输线上发送一个快速的上升沿，再特定的点上用示波器观察反射电压波形。
这种技术可以测出传输显得特性阻抗，并显示出每个阻抗不连续点的位置和特性（阻抗、感抗和容抗）。
所有这些信息都是示波器上实时显示。
相对于其他技术，TDR能够给出更多的关于系统宽带相应的信息。
图1时域反射计工作原理阶跃信号发生器向被测系统产生一个正向的阶跃信号。
该信号沿着传输线向前传输。
如果负载组抗等于传输线的特性阻抗，将没有信号反射，示波器上能看到的只有发送的阶跃信号。
假如负载存在失配，将有部分的输入信号被反射，示波器上将出现反射信号和输入信号的叠加。
图2是一个传输线的测试波形，由此可以看出，对于非连续的阻抗，示波器对应位置将出现变化的波形，由此我们就能够分析每个中断点的特性。
图2时域反射计测试结果·A:50Ohm电缆·B:微波传输带开始·C:50Ohm微波传输带·D:75Ohm微波传输带·E:50Ohm微波传输带·F:开路与其他测试方法的比较最常用的测量传输线和负载的方法是向系统发送一个正弦波，并观察线上不连续点的波形。
这种测试方法中，我们要计算SWR(驻波比)并将它看作系统的参数。
当系统有数个阻抗不连续点时，SWR测试往往不能分开这些点。
另外，当系统拥有很宽的带宽时，必须测量很多频点的SWR，测试很枯燥并且耗费时间。
另一个常见的测量传输线的仪器是矢量网络分析仪(VNA)。
这时，信号源产生一个连续扫频的正弦波来激励DUT。
时钟抖动度量指标和测试方法概述
PAGE 068定位导航与授时Positioning,Navigation and Timing时钟抖动度量指标和测试方法概述■ 龙丹（海军工程大学 430033）数字通信系统中，时钟抖动是影响通信质量的因素之一，在系统设计、设备研制、工程验收等各环节抖动指标是必须考虑的。
本文介绍了通信中常用的抖动概念、分类、度量指标和测试方法，并对时钟设备抖动指标测试进行了描述。
最后对抖动测试的发展方向进行了展望。
In digital communication systems, clock jitter is one of the factors that affect communication quality, and jitter indicators must be considered in various links such as system design, equipment development, and engineering acceptance. This article introduces the jitter concepts, classifications, metrics and test methods commonly used in communications, and describes the jitter index test of clock equipment. Finally, the development direction of jitter test is prospected.时钟抖动 高速时钟同步Clock jitter; high-speed clock synchronizationDoi:10.3969/j.issn.1673-5137.2021.02.010摘 要Abstract关键词Key Words１． 背景ITU-T G.810标准中抖动的定义是“数字信号的各个有效瞬时相对其当时的理想位置（相位）的短期性偏离”，相位偏离的频率称为抖动频率，“短期”指变化的频率大于或等于10Hz（这里是通信领域传统的定义，其他领域对抖动可能有不同的定义）[1]。
时间抖动（jitter）的概念及其分析方法
时间抖动(jitter)的概念及其分析方法随着通信系统中的时钟速率迈入GH z级，抖动这个在模拟设计中十分关键的因素，也开始在数字设计领域中日益得到人们的重视。
在高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。
不仅如此，它还会导致通信链路的误码率增大，甚至限制A/D转换器的动态范围。
有资料表明在3GH z以上的系统中，时间抖动（jitter）会导致码间干扰（ISI），造成传输误码率上升。
在此趋势下，高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。
本文向数字设计师们介绍了抖动的基本概念，分析了它对系统性能的影响，并给出了能够将相位抖动降至最低的常用电路技术。
本文介绍了时间抖动（jitter）的概念及其分析方法。
在数字通信系统，特别是同步系统中，随着系统时钟频率的不断提高，时间抖动成为影响通信质量的关键因素。
关键字：时间抖动、jitter、相位噪声、测量时间抖动的概念在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号（以1MHz为例）的持续时间应该恰好是1us，每500ns 有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是抖动。
抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。
在绝大多数文献和规范中，时间抖动（jitter）被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差，所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走（wander），而将变化较快的成分定义为时间抖动（jitter）。
图1 时间抖动示意图1．时间抖动的分类抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动。
抖动测量的三种方法
抖动测量三种有效方法只要测试数据通信IC或测试电信网络，就需要测试抖动。
抖动是应该呈现的数字信号沿与实际存在沿之间的差。
时钟抖动可导致电和光数据流中的偏差位，引起误码。
测量时钟抖动和数据信号就可揭示误码源。
测量和分析抖动可借助三种仪器：误码率(BER)测试仪，抖动分析仪和示波器(数字示波器和取样示波器)。
选用哪种仪器取决于应用，即电或光、数据通信以及位率。
因为抖动是误码的主要原因，所以，首先需要测量的是BER。
若网络、网络元件、子系统或IC的BER超过可接受的限制，则必须找到误差源。
大多数工程技术人员希望用仪器组合来跟踪抖动问题，先用BER测试仪、然后用抖动分析仪或示波器来隔离误差源。
BER测试仪制造商需要测量其产品的BER，以保证产品符合电信标准。
当需要表征数据通信元件和系统时，BER测试对于测试高速串行数据通信设备也是主要的。
BER测试仪发送一个称之为伪随机位序列(PRBS)的预定义数据流到被测系统或器件。
然后，取样接收数据流中的每一位，并对照所希望的PRBS图形检查输入位。
因此，BER 测试仪可以进行严格的BER测量，有些是抖动分析仪或示波器不可能做到的。
尽管BER测试仪可进行精确的BER测量，但是，对于10-12BER(每1012位为1位误差)精度的网络或器件测试需数小时。
为了把测试时间从数小时缩短为几分钟，BER测试仪采用“BERT scan”技术，此技术用统计技术来预测BER。
可以编程BER测试仪在位时间(称之为“单位间隔”或“UI”)的任何点取样输入位。
“澡盆”曲线表示BER是取样位置的函数。
若BER测试仪检测位周期(0.5UI)中心的位，则抖动引起位误差的概率是小的。
若BER测试仪检测位于靠近眼相交点上的位，则将增大获得抖动引起位误差的似然性。
抖动分析仪BER测试仪不能提供有关抖动持性或抖动源的足够信息。
抖动分析仪(往往称之为定时时间分析仪或信号完整性分析仪)可以测量任何时钟信号的抖动，并提供故障诊断抖动的信息。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
随机抖动RJ
随机抖动的统计分布是正态高斯分布 直方图 (有限的采样数) ↔ 概率密度函数pdf呈现高斯分布
(数学的模型) 因为随机抖动是高斯分布，所以是无边际的。按理论，随 机抖动的峰峰值随测量时间变长而增加。 所以随机抖动的衡量参数是均方根值RMS（即s）。
确定性抖动DJ
确定性抖动不是高斯分布，通常是有边际的。 直方图 = pdf概率密度函数。 确定性抖动的衡量参数用峰峰值PK-PK。
数字系统抖动测试 分析技术 Agilent OPD MDM: Huang Teng
Huang_teng@ 18621167993
1
Confidentiality Label May 25, 2012
目录
抖动的概念
抖动的成因
深入了解抖动 抖动的分析方法 抖动测试分析方案
什么是抖动?
确定性抖动分布是有边际的，其频谱通常呈现抖动源的各个谐波
例如：电源干扰所造成的周期性抖动Pj, 在频谱上通常呈现其基频的多次谐波 例如：通常使用重复的码形来检验系统的ISI，因为码形是周期性重复的，在频谱将呈 现为固定间距的多次谐波
电路的不稳定性
PLL问题
有限的锁相环带宽– 锁相环只能跟踪在其带宽以下的低频抖动，一般不能承受 高频的抖动 检定器的死区振动– 连续相同的NRZ码不造成任何的信号跳变, 在此情况下， PLL的VCO频率会向其自然的晶体频率而漂移 当多个输出端同时开关至同一的状态时，往往会产生电流上的毛刺，继而导 致Vcc与GND的毛刺，与判断门限电压的偏移
眼睛张开度 vs 误码率
1
2
A
pdf 1 pdf 2 cdf 2
Eye open for BER @ 1.0E-12
0UI 0.5UI 1UI 1
B
1
cdf 1
C
- 0.5UI
1.5UI
0
误码率的计算
考虑一接收器在某一时刻t, 进行信号取样，错误地读取一个bit而产生误码的概率 为： Sample Time t JT(t,W, s) 将右边信号跳变 误当为左边的而 导致误码 JT(t - UI,W, s)
•Thermal Noise (RJ) •DutyCycle Distortion (DCD) •Power Supply Noise (RJ, PJ) •On chip coupling (PJ, ISI)
•Termination Errors (ISI)
抖动的成因
热噪声 注入噪声 (EMI/RFI) 线路不稳定性 上游时钟 （其它）
30
mR
抖动分析与测量：艺术还是技术？ 双迪拉克法（Dual-Dirac model）通过快速的BERT扫 描
Use the complementary error function to fit the tails of the partial BERTscan • Inspired by Gaussian RJ and bounded DJ:
Jitter:
2 3
4 3
1 p sin( 10 2p f c t )
UI
抖动波形函数 J(t) = 抖动 J=
相位F(t) = 2pfdt + j(t)
1 Dj, 2p
1 j(t) 2p
Dj = 相位噪声
1 d 1 d 频率f(t) = F(t) = fd + 2p dt j(t) 2p dt 1 d d 频率噪声 Df = f(t) - fd = j(t) = J(t) 2p dt dt
热噪声
随机性的, 是多个随机抖动源的组合性现象 因为 内部热能现象 Flicker Noise, Shot Noise 热能的原子与分子振动 分子的解体 外部的宇宙射线 因热噪声所导致的抖动的分布是高斯与无边际的
注入噪声
2
确定性的, 能被确认为一些固有的成因
例如：电源 地噪声 Vdd 噪声
驱动器 Driver 对比器Comparator PCB线路与电缆的散射（衰减、损耗、阻抗不连续性导致的反射） 对经常切换的“1,0,1,0,…” 的高频信号，衰减比连续的“1,1,1,1,0,0,0,0,…”的低频 信号要来得厉害。所以长的连续不变码到达更高的电平，在跳变时需要更多的时间才 能到达门限电平，导致信号抖动。因为这个抖动的幅度与码型相关，所以又称码型相 关抖动。 因为阻抗不匹配导致信号反射。反射的信号叠加在原来的信号导致幅度增加而最终使 转换电平所耗费的时间更多，从而产生抖动。
常见的抖动术语
0.0ns 0.990ns 2.000ns 2.980ns 4.000ns
P1
0.990ns
-0.010ns
P2
1.010ns 0.020ns 0.000ns
P3
0.980ns -0.030ns -0.020ns
P4
1.020ns period 0.040ns cy-cy 0.000ns TIE
常用的抖动测试方法和工具
采样示波器方法（DCA-J 86100D） 实时示波器方法（Infiniium DSA90000A/X/Q w EZJit+） BERT方法
jBERTB，ParBERT 81250
其他：Time Interval Analyzer，Phase Noise Analysis（JS-1000），
TBER (t,W, s) = LBER (t,W, s) + RBER (t,W, s)
t = Sample Time; W = Pk-Pk of Dj; s = RMS of Rj, TD = Transition Density of a bit
Bathtub曲线
Bathtub曲线的中部大部分地受
同步开关噪声
互连阻抗不连续，互连损耗 （其他）
上游的参考时钟
收发器发送的数据是以参考时钟为基准的，如果参考时钟
抖动过大。。。
小问题
测量一个2.5Gbps的通过长互连传输后的信号，
眼图如右图。 如何查找到抖动的源泉？
目录
抖动的概念
抖动的成因
深入了解抖动 抖动的分析方法 抖动测试分析方案
1 2
Interpret the parameters as the Gaussian mean and width to get:
Bit Error Ratio, (x)
0.5 ( x - m L ) 2 L ( x) A exp d x 2 sL p x 2s L 10-3 x - mL A erfc 10-6 2s L 10-9 10-12 10-15 0 1/2 TB
定义: “一个信号在跳变时，相对于理想位置的偏移”
抖动 vs 漂移
快过10Hz的偏离为 : 抖动 Jitter 慢过10Hz的偏离为: 漂移 Wander
参考: ITU-T Recommendation G.810 (08/96) “Definitions and Terminology for Synchronization Networks”
不一样的电平
DDJ
抖动的组成结构
Total Jitter (Tj)总体抖动 Random Jitter (Rj) 随机抖动 Deterministic Jitter (Dj) 确定性抖动
Periodic Jitter (Pj) 周期性抖动 (注意：与周期抖动Period Jitter不
DJ
பைடு நூலகம்
RJ
周期性抖动PJ
TIE vs. time 时间间距误差随时间的变化是一重复的，周期
性波形 效果等同于频率调制FM 可能的抖动源– 电源的EMI干扰与扩频时钟SSC的调制信号
占空比失真DCD
不对称的上升边沿速率与下降边沿速率
不适当的判断门限选择
码间干扰ISI
ISI又称为DDj数据相关抖动或PDj码型相关抖动 因为有限的带宽限制
Period Jitter = 18.3ps RMS TIE = 9.6ps RMS
(0.990/1.010/0.980/1.020) (0.020/-0.030/0.040)
Period-Period(Cy-Cy) Jitter = 36.1ps RMS
(-0.010/0.000/-0.020/0.000)
抖动 vs 相位噪声 vs 频率噪声
假设：W(t) = W(2pfdt + j(t)) W(t) = 带有相位调制的波形函数 fd = 波形函数的频率 j(t) =相位调制函数
Ideal clock:
sin(2p f c t )
1 Jittered clock: sin 2p f c t 4 3 p sin( 10 2p f c t )
27
目录
抖动的概念
抖动的成因
深入了解抖动 抖动的分析方法 抖动测试分析方案
抖动分析与测量：艺术还是技术？
我们有标准来衡量电压… 但对于信号边沿…
那么我们如何将抖动作为一个现实的波形参数进行测量呢？
29
抖动分析与测量：艺术还是技术？ 抖动的分离(拟合PDF的尾部，tail fit)
DJ
sL sR mL
同) Duty Cycle Distortion (DCD)占空比失真 Inter-Symbol Interference (ISI or DDJ)码间干扰，数据相关抖动
总体抖动TJ
若两个变量是独立的, 两个独立变量之和的概率密度
函数pdf是两者的概率密度函数的卷积 = pdf: Tj = Dj Rj (convolution) Dj = m+ - m-
4