Qual è la differenza tra jitter di temporizzazione e rumore di fase?

Per rispondere alla domanda in costante crescita di un numero sempre maggiore di dati e in tempi sempre più rapidi, le velocità di trasmissione dei dati seriali continuano a salire. L'aumento della velocità determina la contrazione dei margini di temporizzazione, spingendo i progettisti a ridurre al minimo l'incertezza nella temporizzazione. La specifica dell'incertezza nella temporizzazione dei dati può assumere due forme, a seconda della disciplina di provenienza. I due parametri sono il jitter e il rumore di fase.

Entrambi indicano la stabilità della temporizzazione di un segnale e sono interrelati. Fondamentalmente, si tratta di due modi di caratterizzare l'incertezza della temporizzazione in un clock o in un flusso di dati. Il rumore di fase è l'instabilità della frequenza di un segnale espressa nel dominio della frequenza, mentre il jitter è una variazione della forma d'onda del segnale nel dominio del tempo.

La scelta di quale dominio considerare dipende solitamente dall'applicazione. Gli ingegneri RF in genere guarderanno al rumore di fase, mentre è più probabile che i progettisti digitali usino il jitter.

Definizione e misurazione del jitter e del rumore di fase

Il jitter è la variazione della temporizzazione di un segnale rispetto al suo ideale e di solito viene misurato con un oscilloscopio. Il jitter può assumere diverse forme, tra cui il jitter del fronte o di fase (chiamato errore di deriva temporale), il jitter di periodo o il jitter ciclo-ciclo (la differenza tra i periodi di cicli adiacenti). Il jitter di qualsiasi tipo può essere suddiviso in due componenti principali: jitter casuale e jitter deterministico. Le componenti casuali sono in genere illimitate, il che significa che i valori di picco del jitter aumentano con il tempo. Gli elementi del jitter deterministico sono invece limitati e non aumentano con il tempo. Ognuna di queste componenti principali incorpora molteplici sottocomponenti che esulano dallo scopo di questo articolo.

Il rumore di fase è relativo alla potenza del segnale adiacente alla fondamentale del clock nel dominio della frequenza. Le variazioni di fase o di frequenza del segnale si manifestano nella larghezza della linea spettrale. Maggiore è l'instabilità della temporizzazione, più ampia è la linea spettrale. La Figura 1 mostra un esempio.

Figura 1: Confronto tra jitter (traccia superiore) e rumore di fase (tracce inferiori) di un segnale di clock. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La traccia superiore è una rappresentazione di un fronte di un segnale di clock a 100 MHz. Viene visualizzata con la persistenza della visualizzazione attivata per darci uno storico delle posizioni del fronte. Il margine di clock si muove orizzontalmente nel tempo. Questa variazione è il jitter del margine di clock. In questo caso, ci sono circa 100 ps di jitter picco-picco.

Le tracce inferiori mostrano viste espanse orizzontalmente allo spettro di frequenza del segnale di clock a 100 MHz usando una visualizzazione della densità di potenza. Ci sono quattro spettri sovrapposti che mostrano le differenze nella larghezza spettrale per valori di jitter del fronte di 10, 50, 100 e 500 ps. Notare l'allargamento della linea spettrale per quantità crescenti di jitter. Il rumore di fase in genere viene misurato utilizzando un analizzatore di spettro o un set di test dedicato al rumore di fase e viene solitamente presentato a una frequenza fissa sfalsata rispetto alla frequenza fondamentale del clock. Ad esempio, il rumore di fase potrebbe essere specificato come -96 decibel rispetto alla portante (dBc) a 10 kHz di offset dalla portante.

Controllo di jitter e rumore di fase

I progettisti possono controllare il jitter e il rumore di fase nelle catene di distribuzione dei segnali di clock utilizzando generatori di clock a basso rumore di fase come ADF4001BCPZ di Analog Devices. Questo generatore offre una larghezza di banda di 200 MHz e ha una specifica di rumore di fase tipico di -99 dB/Hz con un offset di 1 kHz rispetto alla frequenza di clock (Figura 2).

Figura 2: ADF4001BCPZ di Analog Devices è un generatore di clock a basso rumore di fase a 200 MHz con una specifica di rumore di fase tipico di -99 dB/Hz con un offset di 1 kHz rispetto alla frequenza di clock. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La distribuzione di un clock a più dispositivi richiede un buffer di clock con ritardo zero. Oltre a garantire uno skew di temporizzazione molto basso, questi dispositivi riducono anche il jitter grazie ai loro circuiti interni ad aggancio di fase (PLL). Come esempio, il buffer con ritardo zero CY2308SXC-3T di Cypress Semiconductor ha due banchi di quattro uscite. Funziona su un campo di frequenza da 10 a 133 MHz e offre un jitter ciclo-ciclo tipico di 60 ps all'uscita (Figura 3).

Figura 3: Il buffer con ritardo zero CY2308SXC-3T di Cypress Semiconductor in contenitore 16-SOIC offre un jitter ciclo-ciclo tipico di 60 ps all'uscita. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Conclusione

In conclusione, la risposta alla domanda originale è che il rumore di fase e il jitter sono due visioni diverse delle stesse informazioni sulla stabilità del clock o dei dati, in cui il rumore di fase è la visione nel dominio della frequenza e il jitter è l'interpretazione nel dominio del tempo. Una buona selezione dei componenti aiuta a ridurli entrambi.