如何为信号添加可控的抖动量

电器工程 信号 测试 抖动
2022-01-21 15:57:13

背景

我正在开发一个数字时钟和数据恢复电路,现在正进入评估阶段,专注于测试设计的极限并发现潜在的优势和劣势。这种特殊设计的一个重要指标是异步输入信号中的抖动容限。为了评估这个指标,我有一个如下的测试设置。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

问题

为确保测试结果有意义,抖动具有以下特性是可取的:

  • 随机或伪随机
  • 高斯分布
  • 噪声的标准偏差被参数化并且可以被扫描(上面的JITTER CONTROL)

这似乎不是一件容易完成的事情。是否有相对简单的方法可以将可控的抖动量注入测试设置?


到目前为止我所拥有的

我已经对其进行了一些思考和研究,并且我有两种潜在的方法可以在硬件中实现它。

  1. 如果测试电路的传输时钟明显高于 DUT,则可以对输出进行过采样。然后,可以从输出中添加或删除额外的样本,以注入离散量的抖动。由于量化噪声,这种抖动不会是完全高斯的。但如果测试电路对传输数据的过采样率足够高,则可以减轻这种担忧。
  2. Kubicek 等人的测试设置。(下)使用带有可变衰减器的光传输来达到预期的效果。对我来说,为什么会达到上述目的并不明显,但是频谱分析仪应该能够确定它是否按预期工作。

在此处输入图像描述

我知道我的问题省略了有关设计和测试设置的许多细节。这是故意的,因为我想尽可能保持概念性和一般性。我想避免这成为一个特定于设计的帖子,以支持创建一个具有永久参考价值的帖子。

3个回答

一个明显的答案是使用数字信号发生器将受控数量的噪声添加到 VCO 的控制输入。

请记住,此噪声信号将代表瞬时频率误差,而不是通常与抖动相关联的相位误差,因此请适当积分/微分。

您展示了一个单独的电路,它为来自测试发生器的干净信号添加了抖动。VCO 可以是该单独电路中 PLL 的一部分。PLL 将保持平均输出频率与输入频率相同,但只要其反馈环路在抖动频率处具有最小增益,它对添加的抖动的影响就会最小。

如果您打算生成超过一个单位间隔的峰峰值抖动的一小部分,您将需要某种弹性存储 (FIFO) 来保存测试数据。首先使用抖动时钟生成数据可能更容易。

Kubicek 等人的测试设置。使用带有可变衰减器的光传输来达到预期的效果。这对我来说一点也不明显,为什么会达到上述目的

您隐含的问题是,“图 5 中发生了什么来创建受控随机抖动?”。

首先,要认识到每个光接收器都会在接收到的信号中引入噪声。这种噪声被非常准确地建模为高斯随机电流噪声。接收器的跨阻放大器 (TIA) 级自然地将电流噪声转换为电压噪声。光电二极管/TIA 输出是与光输入信号成正比的模拟信号,加上我们刚才谈到的附加噪声。

图中隐藏的是一个限幅放大器,用于从 TIA 输出中获取数字逻辑电平。我猜这发生在绘制电路的扇出缓冲器中。当您将限幅放大器应用于噪声输入时,噪声将转换为抖动,因为上升沿和下降沿跨越决策阈值的时间会有所不同。这种时序变化是抖动,它与输入端的噪声成正比,与边沿的斜率 (dV/dt) 成反比。

当您增加光学衰减时,会降低 dV/dt,但不会降低噪声,因此会增加抖动。

关于 VCO 解决方案

调频您的定时源(如戴夫的回答所建议)不太可能产生您在问题中要求的高斯随机噪声。当然不是边缘到边缘不相关的随机噪声(随机抖动或“RJ”),这似乎是您所追求的,以及您将从 Kubicek 电路中得到的东西。

获得扫频正弦抖动 (SJ) 的好方法,这是您在表征 CDR 时需要担心的另一个规范。事实上,根据我的经验,通过对单频正弦抖动的容限来指定 CDR 比通过对不相关的高斯随机抖动的容限来指定 CDR 更为常见。

您可以做的一件事是实现 DLL 中使用的延迟电路版本。这通常是电流不足的逆变器链。您需要退化从轨道到设备的电流供应和从设备输出的电流供应(为了上升/下降的对称性),并在输出上有一个重建逆变器(没有电流饥饿)。

这也将模拟源中最常见的抖动源(部分轨道崩溃和通过晶体管的 G_m 调制到输出上。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

压控电流源可以简单地是 PMOS 和 NMOS 晶体管,但在板上您还有其他选择。您可以更改级数以增加对延迟电压的控制。

与我自己矛盾的是,只要将延迟级的数量保持在偶数(作为反相器,它们会交替延迟上升沿和下降沿),您也可以控制上电源。然后,您需要在输出端有两个重建逆变器。

示意图

模拟这个电路

但是,如果您只想在边缘注入噪声,还有一种更简单的方法。

示意图

模拟这个电路