近年，伴隨影像傳輸?shù)绕占?，骨干網(wǎng)中流過(guò)的通信量有增無(wú)減，通信的高速、大容量化進(jìn)展迅速。在這種情況下，高速化通信基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)高頻且輸出信號(hào)穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號(hào)源的需求十分強(qiáng)烈。抖動(dòng)（Jitter)是評(píng)估輸出信號(hào)波形穩(wěn)定性的指標(biāo)之一。英語(yǔ)的“Jitter”有神經(jīng)過(guò)敏、緊張不安或激動(dòng)的意思。在表現(xiàn)高頻石英振蕩器的穩(wěn)定度時(shí)，指?jìng)魉蛿?shù)字信號(hào)時(shí)波形中產(chǎn)生的時(shí)間偏差和晃動(dòng)。本次說(shuō)明有關(guān)抖動(dòng)和相位噪音的基礎(chǔ)知識(shí)。

 【1】 通信設(shè)備的重要指標(biāo)--抖動(dòng)

  用示波器觀察數(shù)字信號(hào)的波形，有時(shí)可以發(fā)現(xiàn)本應(yīng)以單一周期振蕩的波形亮線很寬。這種波形拉寬就是抖動(dòng)。

圖1 表示在一個(gè)周期單位中出現(xiàn)了幾種周期的信號(hào)波形的情況。理想波形以單一周期反復(fù)出現(xiàn)，但實(shí)際波形的一部分周期變短（紅色）或變長(zhǎng)（藍(lán)色）。

抖動(dòng)因讀取電子信號(hào)元器件的極微小的不穩(wěn)定或信號(hào)傳輸途中的**影響等原因而產(chǎn)生。抖動(dòng)過(guò)大將造成相鄰信號(hào)之間相互干擾，在傳達(dá)影像和音樂(lè)信號(hào)時(shí)將導(dǎo)致影像質(zhì)量和音質(zhì)的劣化。如上所述，抖動(dòng)表示數(shù)字信號(hào)在時(shí)域上的晃動(dòng)，但抖動(dòng)的種類不限于一種。抖動(dòng)隨時(shí)間而精微變化，對(duì)時(shí)間的變化模式也有多種多樣，因此難以用一個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)抖動(dòng)。

【2】 有關(guān)抖動(dòng)種類的說(shuō)明

●周期抖動(dòng)（峰峰值）：表示一周期中的偏差幅度（*大和*小之差）的抖動(dòng)

●標(biāo)準(zhǔn)差：表示偏差成都的標(biāo)準(zhǔn)偏差

●隨機(jī)抖動(dòng)：自然產(chǎn)生的無(wú)法預(yù)測(cè)得抖動(dòng)

●確定性抖動(dòng)：因電路、電磁感應(yīng)或外界環(huán)境等因素而引起的抖動(dòng)

●累加抖動(dòng)（長(zhǎng)期抖動(dòng)）：時(shí)鐘各周期的連續(xù)偏差

  愛(ài)普生公司在測(cè)試時(shí)使用的是Wacecrest公司制造的“DTS-2075”測(cè)試儀，測(cè)試條件是使用基本無(wú)噪音的電源、探針測(cè)試點(diǎn)為輸出端、輸出電阻設(shè)定為50ohm。

  圖2的橫軸表示一個(gè)周期（皮秒），本測(cè)試用直方圖表示了50000次隨機(jī)抽選的周期離差。這是SG-8002CA 125MHZ PCB的數(shù)據(jù)。*理想的是在125MHZ的一周期處出現(xiàn)一個(gè)波峰，但由于各種因素致使特性出現(xiàn)變化。PLL尤其容易出現(xiàn)有圖所示的傾向，因此重要的是如何正確理解該特性并反映到設(shè)計(jì)中去。

（1）周期抖動(dòng)（峰峰值抖動(dòng)）

 周期抖動(dòng)顯示離差的幅度，愛(ài)普生公司用峰峰值來(lái)表示這個(gè)離差。上圖中*長(zhǎng)周期和*短周期之差就是峰峰值抖動(dòng)。

（2）標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)（1標(biāo)準(zhǔn)差）

 標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)是從上述測(cè)試結(jié)果得出的標(biāo)準(zhǔn)差（1σ）。由此可以得知12.5PS中的發(fā)生概率為68.26%。但是，峰峰值抖動(dòng)只顯示了通常情況下長(zhǎng)時(shí)間使用的石英產(chǎn)品的極小部分的狀態(tài)（幾毫秒），并不能顯示抖動(dòng)整體；標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)僅在理想的正態(tài)分布（又名高斯分布）下有效，在其他的分布下數(shù)值的可靠性非常低。為此確立了把測(cè)試得到的直方圖劃分為兩個(gè)成份，以此捕捉抖動(dòng)整體狀態(tài)的分析方法。

（3）隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）

  隨機(jī)抖動(dòng)表示無(wú)法預(yù)測(cè)的抖動(dòng)成份，名副其實(shí)。它受元器件自身的特性、熱噪音等因素的影響而自然產(chǎn)生，因此，設(shè)定直方圖中存在理想的正態(tài)分布，并從抖動(dòng)實(shí)際測(cè)試所得到的直方圖，根據(jù)曲線的上升、下降便捷的曲線擬合來(lái)預(yù)測(cè)。而且，隨機(jī)抖動(dòng)用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示，經(jīng)常使用”左側(cè)的RJ“或”右側(cè)的RJ“的表現(xiàn)方式。（1）周期抖動(dòng)（峰峰值抖動(dòng)）

 周期抖動(dòng)顯示離差的幅度，愛(ài)普生公司用峰峰值來(lái)表示這個(gè)離差。上圖中*長(zhǎng)周期和*短周期之差就是峰峰值抖動(dòng)。

（2）標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)（1標(biāo)準(zhǔn)差）

 標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)是從上述測(cè)試結(jié)果得出的標(biāo)準(zhǔn)差（1σ）。由此可以得知12.5PS中的發(fā)生概率為68.26%。但是，峰峰值抖動(dòng)只顯示了通常情況下長(zhǎng)時(shí)間使用的石英產(chǎn)品的極小部分的狀態(tài)（幾毫秒），并不能顯示抖動(dòng)整體；標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)僅在理想的正態(tài)分布（又名高斯分布）下有效，在其他的分布下數(shù)值的可靠性非常低。為此確立了把測(cè)試得到的直方圖劃分為兩個(gè)成份，以此捕捉抖動(dòng)整體狀態(tài)的分析方法。

（3）隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）

  隨機(jī)抖動(dòng)表示無(wú)法預(yù)測(cè)的抖動(dòng)成份，名副其實(shí)。它受元器件自身的特性、熱噪音等因素的影響而自然產(chǎn)生，因此，設(shè)定直方圖中存在理想的正態(tài)分布，并從抖動(dòng)實(shí)際測(cè)試所得到的直方圖，根據(jù)曲線的上升、下降便捷的曲線擬合來(lái)預(yù)測(cè)。而且，隨機(jī)抖動(dòng)用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示，經(jīng)常使用”左側(cè)的RJ“或”右側(cè)的RJ“的表現(xiàn)方式。（1）周期抖動(dòng)（峰峰值抖動(dòng)）

 周期抖動(dòng)顯示離差的幅度，愛(ài)普生公司用峰峰值來(lái)表示這個(gè)離差。上圖中*長(zhǎng)周期和*短周期之差就是峰峰值抖動(dòng)。

（2）標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)（1標(biāo)準(zhǔn)差）

 標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)是從上述測(cè)試結(jié)果得出的標(biāo)準(zhǔn)差（1σ）。由此可以得知12.5PS中的發(fā)生概率為68.26%。但是，峰峰值抖動(dòng)只顯示了通常情況下長(zhǎng)時(shí)間使用的石英產(chǎn)品的極小部分的狀態(tài)（幾毫秒），并不能顯示抖動(dòng)整體；標(biāo)準(zhǔn)差抖動(dòng)僅在理想的正態(tài)分布（又名高斯分布）下有效，在其他的分布下數(shù)值的可靠性非常低。為此確立了把測(cè)試得到的直方圖劃分為兩個(gè)成份，以此捕捉抖動(dòng)整體狀態(tài)的分析方法。

（3）隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）

  隨機(jī)抖動(dòng)表示無(wú)法預(yù)測(cè)的抖動(dòng)成份，名副其實(shí)。它受元器件自身的特性、熱噪音等因素的影響而自然產(chǎn)生，因此，設(shè)定直方圖中存在理想的正態(tài)分布，并從抖動(dòng)實(shí)際測(cè)試所得到的直方圖，根據(jù)曲線的上升、下降便捷的曲線擬合來(lái)預(yù)測(cè)。而且，隨機(jī)抖動(dòng)用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示，經(jīng)常使用”左側(cè)的RJ“或”右側(cè)的RJ“的表現(xiàn)方式。

（4）確定性抖動(dòng)（DJ）

  確定性抖動(dòng)因電路設(shè)計(jì)、電磁感應(yīng)或外界因素而產(chǎn)生。

  在實(shí)際測(cè)試結(jié)果中，它可以用夾在左右隨機(jī)抖動(dòng)中間的部分來(lái)表示。

  匯總以上抖動(dòng)的觀點(diǎn)，可以得出由自然產(chǎn)生的隨機(jī)抖動(dòng)和人為因素產(chǎn)生的確定性抖動(dòng)構(gòu)成一周期中的抖動(dòng)成份整體。

減少抖動(dòng)即等于如何盡量減少確定性抖動(dòng)，將確定性抖動(dòng)成份*佳化就能使左右的隨機(jī)抖動(dòng)之間相互重合，實(shí)現(xiàn)理想的正態(tài)分布。

（5）累加抖動(dòng)（長(zhǎng)期抖動(dòng)）

  以上說(shuō)明的抖動(dòng)均以一周期為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其離差進(jìn)行了測(cè)試，但有些抖動(dòng)不能僅由此來(lái)表現(xiàn)。這就是累加抖動(dòng)。

  累加抖動(dòng)不僅表示一周期的離差，還表示二周期、三周期等多周期連續(xù)波形的離差，以下示圖來(lái)表示。

圖標(biāo)的橫軸表示測(cè)試的周期數(shù)，豎軸表示各周期的1標(biāo)準(zhǔn)差。觀察累加抖動(dòng)可以確認(rèn)持續(xù)幾個(gè)周期的抖動(dòng)的變化狀態(tài)。周期累加的抖動(dòng)從某一周期起1標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)收縮的傾向。我們能夠以此判斷PLL電路的帶寬和過(guò)度響應(yīng)特性。

【3】 振蕩器的輸出與抖動(dòng)的關(guān)系

  石英振蕩器除了輸出應(yīng)起振的頻率以外，還輸出頻率分量。

從圖6所示的石英振蕩器輸出信號(hào)頻率特性可以看到基本頻率周圍所存在的其他頻率的“裙擺”。這是因隨機(jī)信號(hào)而引起的相位調(diào)制，即因噪音源調(diào)制振蕩器而產(chǎn)生的，通常被稱為“相位噪音”。這些頻率大多高于本底噪聲，并出現(xiàn)在載波頻率附近，噪音可用以下算是表示：

這里的E（t）表示振幅的變化（振幅噪音），φ(t)表示相位的變化（相位噪音）。φ(t)是相位噪音。相位噪音通常定義為偏離載波的偏離頻率的噪聲功率和載波功率之比。所有相位噪音均成為抖動(dòng)。一般情況下用“單邊帶（SSB、Single side Band之略）相位噪音L（f）”表現(xiàn)相位噪音。L（f）是偏離頻率f的函數(shù)，單位是dBC/Hz。用相位變化而造成的單邊帶功率來(lái)定義，是偏離載波頻率fHz頻率的1Hz頻帶寬的電氣信號(hào)總功率（圖7）可用以下算式來(lái)表現(xiàn)：L（f）=（中心頻率+fHz）1Hz頻帶寬的功率/電氣信號(hào)總功率...算式（3）

L（f）是噪音，所以必須折算成1Hz單位才能進(jìn)行比較。若把測(cè)試相位噪音時(shí)的測(cè)定頻帶寬設(shè)定為A，則可用測(cè)試得出的相位噪音除以A來(lái)算出L（f）。例如，測(cè)試頻帶寬為1KHz，測(cè)試結(jié)果為-70dBc,可以得出-70dBc、-30dB,得到-100dBc/Hz的結(jié)論。1Hz是1KHz的1/1000，所以頻帶寬的平均輸出也為1/1000（=-30dB)。DBc/Hz是表示相位噪音的標(biāo)準(zhǔn)單位。

相位噪音除了產(chǎn)生于石英振蕩器電路的以外，如果使用了PLL電路，也會(huì)因起源于各電路部分、噪音成份或環(huán)路特性的噪音而產(chǎn)生。相位噪音表示信號(hào)相位的晃動(dòng)。因此，以時(shí)間變化來(lái)觀測(cè)就可以看到先前說(shuō)明的波形抖動(dòng)。

【4】 相位抖動(dòng)

  和抖動(dòng)一起表示信號(hào)的穩(wěn)定性、相互有關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，相位噪音表現(xiàn)在頻率領(lǐng)域中的頻率不穩(wěn)定，而抖動(dòng)則表示在時(shí)間領(lǐng)域中的信號(hào)波形的晃動(dòng)。

  與前述同樣，橫軸表示偏離頻率，豎軸表示相位噪音。

  該相位噪音的積分值（圖8的網(wǎng)點(diǎn)部分）就是屬于隨機(jī)抖動(dòng)的相位抖動(dòng)。

  通過(guò)計(jì)算特定偏離頻率范圍的積分，便能獲得具有特定頻率范圍成份的相位抖動(dòng)值。這里的E（t）表示振幅的變化（振幅噪音），φ(t)表示相位的變化（相位噪音）。φ(t)是相位噪音。相位噪音通常定義為偏離載波的偏離頻率的噪聲功率和載波功率之比。所有相位噪音均成為抖動(dòng)。一般情況下用“單邊帶（SSB、Single side Band之略）相位噪音L（f）”表現(xiàn)相位噪音。L（f）是偏離頻率f的函數(shù)，單位是dBC/Hz。用相位變化而造成的單邊帶功率來(lái)定義，是偏離載波頻率fHz頻率的1Hz頻帶寬的電氣信號(hào)總功率（圖7）可用以下算式來(lái)表現(xiàn)：L（f）=（中心頻率+fHz）1Hz頻帶寬的功率/電氣信號(hào)總功率...算式（3）

L（f）是噪音，所以必須折算成1Hz單位才能進(jìn)行比較。若把測(cè)試相位噪音時(shí)的測(cè)定頻帶寬設(shè)定為A，則可用測(cè)試得出的相位噪音除以A來(lái)算出L（f）。例如，測(cè)試頻帶寬為1KHz，測(cè)試結(jié)果為-70dBc,可以得出-70dBc、-30dB,得到-100dBc/Hz的結(jié)論。1Hz是1KHz的1/1000，所以頻帶寬的平均輸出也為1/1000（=-30dB)。DBc/Hz是表示相位噪音的標(biāo)準(zhǔn)單位。

相位噪音除了產(chǎn)生于石英振蕩器電路的以外，如果使用了PLL電路，也會(huì)因起源于各電路部分、噪音成份或環(huán)路特性的噪音而產(chǎn)生。相位噪音表示信號(hào)相位的晃動(dòng)。因此，以時(shí)間變化來(lái)觀測(cè)就可以看到先前說(shuō)明的波形抖動(dòng)。

【4】 相位抖動(dòng)

  和抖動(dòng)一起表示信號(hào)的穩(wěn)定性、相互有關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，相位噪音表現(xiàn)在頻率領(lǐng)域中的頻率不穩(wěn)定，而抖動(dòng)則表示在時(shí)間領(lǐng)域中的信號(hào)波形的晃動(dòng)。

  與前述同樣，橫軸表示偏離頻率，豎軸表示相位噪音。

  該相位噪音的積分值（圖8的網(wǎng)點(diǎn)部分）就是屬于隨機(jī)抖動(dòng)的相位抖動(dòng)。

  通過(guò)計(jì)算特定偏離頻率范圍的積分，便能獲得具有特定頻率范圍成份的相位抖動(dòng)值。