时钟同步基本知识

1. 时钟损伤相关知识

频偏(frequecny offset):收端时钟晶体频率和发端时钟晶体频率的偏差。通常用ppm(parts per million)来表述 ppm。

抖动(Jittter): 时钟上升或下降沿时刻相对于理想时刻的偏移。通常通过相位来描述,即相偏,T为时钟周期。具体表现为对码元发送和接收的影响:

  • 对码元发送的影响:码元实际发送时刻相对理想发送时刻存在时间偏移
  • 对码元接收的影响:相对于理想采样时间偏移

实际上,发送时刻的偏移,最终都体现在接收时刻的偏移。理解抖动的分类需要从收发两个角度理解。数据相关性抖动,影响接收时码元形状;数据不相关的抖动,影响码元形状或影响数据采样时刻。 两者最终都影响码元的判决结果。抖动分类如下:

1)随机性抖动:与数据不相关,主要来源于芯片内器件的热噪声、散粒噪声、闪烁噪声等,通常显现高斯分布。

2)确定性抖动:即固定抖动,主要来源于反射、串扰等,又可分为周期性抖动和数据相关性抖动。

数据相关性抖动:与数据码型本身有关,由信道的阻抗不连续和损耗引起,又分为占空比失真(上下沿速率不同)和码间干扰(阻抗不匹配)。

周期性抖动:又称正弦抖动,来源外部耦合进来的周期震荡特性的开关电源噪声和时钟噪声等,如果考虑多次谐波差分,总周期抖动是所有谐波的卷积结果。

周期性抖动参数如下:

UIp-p(Unit Interval/peak-to-peak Jitter):相位抖动最大摆幅/码元长度,如0.75UIpp,指围绕标准采样点左右抖动总范围最为0.75T;

抖动频率( Jitter Frequency):指不同采样点的相位抖动的频率,相位误差会以一定频率变化。

标准通常用会规定最大ppm

标准也会定义Jitter模板,用不同抖动频率处的最大UIp-p来衡量

2. 系统指标相关

抖动容限(JTOL):PLL能跟踪的时钟最大抖动范围。单位为UIp-p。

牵引范围(Pulling rang): PLL能跟踪的最大频偏差。单位为PPM。

3. 数学描述

开环响应:

闭环响应:具有低通特性

误差响应:具有高通响应

JTOL:

4. 系统设计参数

阻尼系数ζ:

  • 定义:描述二阶系统振荡衰减程度的无量纲参数,反映环路 "平稳度"。
  • 物理意义 :决定相位阶跃 / 频率阶跃下的瞬态响应形态(过冲 / 振荡 / 平滑),阻尼系数越小,响应越容易过冲,但上升时间越快。
  • 典型取值 :CDR/PLL 最优设计为 ζ≈0.707(1/√2),兼顾最快响应与零过冲。

自然频率ωₙ:

  • 定义 :二阶 CDR/PLL 在无阻尼(ζ=0)理想状态下的固有振荡角频率(rad/s),也叫固有频率 / 特征频率
  • 物理意义 :决定环路响应速度上限带宽基准。ωₙ越大,环路跟踪相位 / 频率变化越快、锁定时间越短;反之则慢。

相位裕度:指在开环增益为0dB(即增益为1)时,其相位与-180°的差值。它表示系统进入不稳定状态之前可以增加的相位变化量。

环路带宽:通常为闭环响应的3dB带宽或等效噪声带宽。环路带宽越大,收敛的越快,但收敛越不稳定。反之,收敛的越慢,收敛越稳定。

环路时延:环路时延越小,稳定可选的环路带宽越大,JTOL越高。

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