用DSP實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)(Jitter)測(cè)量的方法

近年來,抖動(dòng)（Jitter）已經(jīng)成為通信工程師非常重視的信號(hào)特征。在數(shù)字系統(tǒng)中,時(shí)鐘頻率正在變得越來越高。隨著速率的升組,在上升沿或是下降沿哪性是微小的變化也變得越來越重要。因?yàn)闀r(shí)鐘或數(shù)據(jù)的抖動(dòng)會(huì)影響到數(shù)據(jù)的完整性、建立時(shí)間和保持時(shí)間。并且在考慮信號(hào)速率與傳輸距離之間的折中時(shí),抖動(dòng)也成為必須考慮的因素。

抖動(dòng)會(huì)使數(shù)字電路的傳輸性能惡化,由于信號(hào)上升沿或是下降沿在時(shí)間軸上的正確位置被取代,在數(shù)據(jù)再生的時(shí)候,數(shù)據(jù)比特流中就會(huì)引入錯(cuò)誤。在合并了緩沖存儲(chǔ)器和相位比較器的數(shù)字儀表中,由于數(shù)據(jù)溢出或是損耗,錯(cuò)誤就會(huì)引入到數(shù)字信號(hào)中。此外,在數(shù)模變換電路中,時(shí)鐘信號(hào)的相位調(diào)制會(huì)使恢復(fù)出的采樣信號(hào)惡化,這在傳輸編碼的寬帶信號(hào)時(shí)會(huì)造成問題。

抖動(dòng)分為系統(tǒng)抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)。

（1）系統(tǒng)抖動(dòng)是在信號(hào)再生電路時(shí)間上不準(zhǔn),或是碼是串?dāng)_,或是在幅頻轉(zhuǎn)換中的不準(zhǔn)確的電纜均衡造成的。系統(tǒng)抖動(dòng)取決于系統(tǒng)的性能。

（2）隨機(jī)抖動(dòng)來源于內(nèi)部或是外部的干擾信號(hào),如噪聲、串?dāng)_、反射等。隨機(jī)抖動(dòng)與傳輸信號(hào)的系統(tǒng)無關(guān)。

系統(tǒng)抖動(dòng)與不同的脈沖再生電路的脈沖的模式有關(guān),會(huì)連續(xù)地積累。隨機(jī)抖動(dòng)則與脈沖再生電路的脈沖模式無關(guān),而且也不會(huì)連續(xù)地積累;在大多數(shù)低速率的數(shù)字系統(tǒng)中,系統(tǒng)抖動(dòng)占主導(dǎo)地位;而在高速系統(tǒng)中,隨機(jī)抖動(dòng)變得越來越重要,甚至?xí)紦?jù)主導(dǎo)地位。

干擾性的抖動(dòng)可以利用信號(hào)再生電路劃中利用“去抖動(dòng)”電路來減弱其影響。這種“去抖動(dòng)”電路來減弱其影響。這種“去抖動(dòng)”電路包括了一個(gè)帶有窄帶相位平滑電路的信號(hào)緩沖器。信號(hào)再生電路只能將抖動(dòng)頻率高于時(shí)鐘再生電路的截止頻率的抖動(dòng)成分減小,而低頻的抖動(dòng)成分則仍然會(huì)出現(xiàn)在輸出信號(hào)或是信號(hào)再生電路中。在這種情況下,抖動(dòng)被傳輸?shù)捷敵鲂盘?hào)中,信號(hào)再生電路此時(shí)就象是一個(gè)低通濾波器。

抖動(dòng)測(cè)量方法

傳統(tǒng)的抖動(dòng)測(cè)量采用模擬測(cè)試的方法。圖1給出了傳統(tǒng)模擬測(cè)量方法的原理框圖,它是將數(shù)據(jù)信號(hào)與基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)相比較,使用相位探測(cè)器的平均輸出。模擬測(cè)量方法帶來了很多問題,這都是因?yàn)橄辔惶綔y(cè)器將相位表達(dá)成一個(gè)模擬電壓引起的。

以下是用模擬方法測(cè)試抖動(dòng)的缺點(diǎn)：

*時(shí)鐘恢復(fù)限制了抖動(dòng)測(cè)量的帶寬;

*時(shí)間恢復(fù)由于自由運(yùn)行頻率的偏移引入了抖動(dòng)噪聲;

*大動(dòng)態(tài)范圍要求大頻率分割,導(dǎo)致產(chǎn)生了起出相位探測(cè)器范圍的低頻脈沖,進(jìn)一步限制了測(cè)量的帶寬;

*模擬電壓受制于由噪聲和寄生電容產(chǎn)生的負(fù)面影響;

*模擬電壓的范圍受制于電源電壓的范圍;

*基準(zhǔn)恢復(fù)由于其帶寬小獲得鎖相很慢。

??? 隨著DSP技術(shù)、ADC應(yīng)用技術(shù)和ASIC技術(shù)的發(fā)展,抖動(dòng)分析跟隨著科技從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變進(jìn)程,發(fā)展了基于數(shù)字分析的抖動(dòng)測(cè)量方法?；跀?shù)字的抖動(dòng)分析方法有先進(jìn)得多的特性,能使工程師們?yōu)橄乱淮O(shè)計(jì)的測(cè)試和分析作更充分的準(zhǔn)備。

下面圖2給出了基于數(shù)字分析的抖動(dòng)測(cè)量方法的原理框圖。這里的目標(biāo)是將每個(gè)NRZ沿用二進(jìn)制數(shù)作時(shí)間標(biāo)記,其中計(jì)數(shù)器最低位（LSB）權(quán)值就是時(shí)間間隔分辨率。時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器完成時(shí)間標(biāo)記功能,通過數(shù)字處理標(biāo)記出抖動(dòng)大小,再經(jīng)過數(shù)字濾波器提供抖動(dòng)測(cè)量所需的高通和低通濾波。在濾波過程中,可實(shí)現(xiàn)分辨率中兩個(gè)最佳位。抖動(dòng)得到進(jìn)一步的處理以檢測(cè)峰峰值、真有效值或其它參數(shù),比如頻譜容量。

數(shù)字化的抖動(dòng)測(cè)量有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

*具有更寬的帶寬和更低的噪聲,因?yàn)樗恍枰獣r(shí)鐘恢復(fù)。

*具有更寬的帶寬和更光滑的頻率響應(yīng),因?yàn)閿?shù)字相位探測(cè)器將每個(gè)NRZ沿以時(shí)間標(biāo)記（不需要對(duì)模擬脈沖作平均處理）。

*具有更低的抖動(dòng)噪聲,因?yàn)閿?shù)字時(shí)間標(biāo)記不受噪聲的影響。

*增益誤差率只有0.01%,因?yàn)樾盘?hào)處理是完全數(shù)字化的。

*動(dòng)態(tài)范圍超過4000UIp-p,同時(shí)保持0.01UI的分辨率。

*測(cè)量時(shí)沒有延時(shí),因?yàn)椴皇褂面i相環(huán)信號(hào)去獲取時(shí)鐘。

數(shù)字式抖動(dòng)測(cè)試儀的研制

數(shù)字式抖動(dòng)測(cè)試儀的基本要求是完成對(duì)2.048MHz的鎖相時(shí)鐘進(jìn)行相位抖動(dòng)測(cè)試,具體要求按ITU-TG.823建議執(zhí)行。設(shè)計(jì)方案采用數(shù)字方法測(cè)試抖動(dòng)。數(shù)字抖動(dòng)測(cè)試方法中關(guān)鍵的就是計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)選用的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為100MHz。但是為了保證測(cè)試抖動(dòng)的精度要求,對(duì)于100MHz記數(shù)產(chǎn)生的誤差信號(hào),專門設(shè)計(jì)了誤差脈沖展寬電路,以提高測(cè)試精度。圖3給出了數(shù)字式抖動(dòng)測(cè)試儀的功能框圖。

研制的抖動(dòng)測(cè)試儀主要包括以下模塊：時(shí)鐘記數(shù)、脈沖展寬、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理。其中除了脈沖展寬模塊是模擬電路外,其余的3個(gè)模塊都是數(shù)字電路,所以該設(shè)計(jì)是一種數(shù)字與模擬的混合電路。在設(shè)計(jì)中,考慮到算法的復(fù)雜性和靈活性,開發(fā)時(shí)間的緊迫性以及系統(tǒng)的要求,選用了德州儀器（TI）的TMS320F206。

DSP選擇

TMS320F206是德州儀器公司用靜態(tài)CMOS技術(shù)集成的DSP芯片,屬于TMS320C2000系列。這是一種低功耗器件,采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),有1條程序總線和3條數(shù)據(jù)總線,有高度并行性的算術(shù)邏輯單元ALU、專用硬件邏輯、片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)和高度專業(yè)化的指令集,從而使該芯片速度高、操作靈活。TMS320F206有224K的尋址能力、3個(gè)外部中斷、1個(gè)同步串口和一個(gè)異步串口,最高時(shí)鐘為40MHz。由于每秒需處理數(shù)據(jù)2Mbit,每個(gè)符號(hào)采樣兩次,所以實(shí)際數(shù)據(jù)速率是4Mbps。通過其算法來估計(jì)其運(yùn)算量,40MIPS的處理能力完全可以滿足其要求。在設(shè)計(jì)中使用了1個(gè)外部中斷,一個(gè)異步串口。異步串口和PC機(jī)的串口相連接,將DSP計(jì)算結(jié)果送回到PC機(jī)顯示。

時(shí)鐘記數(shù)模塊

該模塊主要作用有以下幾個(gè)：

①對(duì)二分頻后的2MHz時(shí)鐘信號(hào)用100MHz的時(shí)鐘進(jìn)行記數(shù);

②用100MHz時(shí)鐘對(duì)2MHz信號(hào)記數(shù),產(chǎn)生誤差脈沖;

③對(duì)展寬后的誤差脈沖用100MHz的時(shí)鐘進(jìn)行記數(shù);

④產(chǎn)生與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊接口的寫時(shí)鐘和寫使能信號(hào);

⑤將2MHz的記數(shù)值和展寬的誤差脈沖記數(shù)值通過一路8位的數(shù)據(jù)總線分時(shí)輸出。

此模塊的設(shè)計(jì)主要是用一塊XILINX公司的CPLD XC95108來完成的。

脈沖展寬模塊

脈沖展寬模塊是為了提高測(cè)試抖動(dòng)的精度,這是本設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)模塊。本設(shè)計(jì)測(cè)試抖動(dòng)其實(shí)就是精確地測(cè)試出每個(gè)周期的時(shí)間,只有測(cè)試的時(shí)間精度提高,最終測(cè)試抖動(dòng)才能達(dá)到要求的精度。若無脈沖展寬電路,僅用100MHz的時(shí)鐘記數(shù)的話,則單個(gè)周期的測(cè)時(shí)的最大誤差將會(huì)是20ns,這樣根本無法滿足抖動(dòng)測(cè)試的精度要求。

為了測(cè)出小于度量單位的一個(gè)物理量的值,我們很容易地想到只要將該物理量放大一個(gè)固定的倍數(shù)后,使該放大后的物理量可測(cè),此時(shí)只要測(cè)出該物理量后除以該放大倍數(shù),即可得到原先的物理量的值。該模塊的設(shè)計(jì)就利用了這樣的思路。具體是利用LM234產(chǎn)生兩個(gè)恒流源,分別做為一個(gè)電容的充電電流和放電電流。利用充放電電流的不同產(chǎn)生斜率不同的充電曲線,再與一參考電壓進(jìn)行比較,即可得到一展寬的脈沖。具體的脈沖展寬電路是用兩個(gè)三級(jí)管完成充放電工作和比較電路。三級(jí)管的型號(hào)是2SC3357,2SC3357是高頻三級(jí)管,其工作頻率可達(dá)到2GHz。選用高頻三級(jí)管對(duì)此設(shè)計(jì)相當(dāng)重要,因?yàn)橐獪y(cè)的誤差脈沖其時(shí)間只有幾個(gè)ns。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要是作為時(shí)鐘記數(shù)模塊所記數(shù)據(jù)的緩沖器,在時(shí)鐘記數(shù)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊之間充當(dāng)接口。正如前面所介紹的,選用了一片選進(jìn)先出（FIFO）芯片,型號(hào)是IDT72230。此型號(hào)的FIFO具有2K×8的存儲(chǔ)空間。在FIFO的數(shù)據(jù)全滿后,由IDT72230的FF（全滿標(biāo)志引腳）向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)。而數(shù)據(jù)處理模塊中的DSP會(huì)從FIFO中將這2K數(shù)據(jù)讀出來。

數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊以DSP為核心,來對(duì)記數(shù)器記得的值進(jìn)行處理,最終算得Jitter的值。DSP中用到了中斷口IT1,當(dāng)FIFO滿時(shí),從FIFO中讀出2K個(gè)數(shù)據(jù)。而DSP與外部的通信則用的是異步串口。

調(diào)試

由于系統(tǒng)工作于較高的頻率,計(jì)數(shù)器為100MHz,DSP為40MHz,DSP的外圍設(shè)備一般為20MHz,最高為40MHz,因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,必須注意高頻影響。

在布線時(shí),特意把數(shù)據(jù)和地址成組布線,以降低對(duì)其它信號(hào)的影響。對(duì)一些關(guān)鍵的控制線。如存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)和FIFO讀寫信號(hào),在其兩邊都加上了地線保護(hù)特別是FIFO的讀寫信號(hào),由于其對(duì)干擾特別敏感。對(duì)一些較長的引線,可串接一個(gè)30Ω的小電阻或加終端匹配以減小反射。

在軟件設(shè)計(jì)中,采用C語言和匯編語言混合編程。具體的編程方法可查閱DSP的手冊(cè)。TI公司還提供了一個(gè)運(yùn)行庫（RuntimeLib）。用TI公司的JATG調(diào)試器進(jìn)行調(diào)試時(shí),在DSP程序中調(diào)用運(yùn)行庫的函數(shù),可以打開PC機(jī)上的文件獲取數(shù)據(jù),或?qū)SP的數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)并存入文件,或通過PC機(jī)鍵盤向DSP傳遞信息和發(fā)送命令,從而為調(diào)試帶來了極大的方便。

由于在本設(shè)計(jì)中采用了DSP技術(shù),使得開發(fā)的周期大為縮減,系統(tǒng)的靈活性也大大增強(qiáng)。隨著數(shù)字處理芯片（DSP）處理速率的加快,外圍通訊能力的加強(qiáng),以及數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性的需要,其應(yīng)用范圍必將越來越廣泛。