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Différence entre bruit de phase et gigue de temporisation

Les débits de transmission de données série ne cessent d'augmenter en réponse à une demande toujours plus forte pour toujours plus de données, plus rapidement. À mesure que les débits de données augmentent, les marges de temporisation diminuent, ce qui pousse les concepteurs à réduire l'incertitude liée à la temporisation des données. La spécification de l'incertitude liée à la temporisation des données peut prendre deux formes différentes selon la discipline de départ. Les deux paramètres sont la gigue et le bruit de phase.

Le bruit de phase et la gigue indiquent tous deux la stabilité de temporisation d'un signal et sont liés l'un à l'autre. Il s'agit en fait de deux façons de caractériser l'incertitude de temporisation dans une horloge ou un flux de données. Le bruit de phase correspond à l'instabilité de la fréquence d'un signal, exprimée dans le domaine fréquentiel, tandis que la gigue est une variation de la forme d'onde du signal dans le domaine temporel.

Le choix du domaine à prendre en compte dépend généralement de l'application : les ingénieurs RF s'intéressent en général au bruit de phase, alors que les concepteurs numériques sont plus susceptibles d'utiliser la gigue.

Définition et mesure de la gigue et du bruit de phase

La gigue est la variation de la temporisation d'un signal par rapport à son idéal et se mesure généralement à l'aide d'un oscilloscope. La gigue peut prendre plusieurs formes, notamment la gigue de front ou de phase (appelée erreur d'intervalle de temps), la gigue périodique ou encore la gigue cycle à cycle (la différence entre les périodes de cycles adjacents). Quel que soit son type, la gigue peut être décomposée en deux composantes principales : la gigue aléatoire et la gigue déterministe. Les composantes aléatoires sont généralement non limitées, ce qui signifie que les valeurs de gigue de crête augmentent avec le temps. Les éléments de la gigue déterministe sont limités et n'augmentent pas avec le temps. Chacune de ces composantes principales comporte de multiples sous-composantes qui dépassent le cadre de cet article.

Le bruit de phase examine la puissance du signal adjacent à la valeur fondamentale d'horloge dans le domaine fréquentiel. Les variations de phase ou de fréquence du signal se manifestent dans la largeur de la ligne spectrale. Plus l'instabilité de la temporisation est grande, plus la ligne spectrale est large. La Figure 1 fournit un exemple.

Figure 1 : Comparaison de la gigue (tracé du haut) et du bruit de phase (tracés du bas) d'un signal d'horloge. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Le tracé du haut représente le front d'un signal d'horloge de 100 mégahertz (MHz). La persistance de l'affichage est visible pour donner un aperçu de l'historique des emplacements du front. Le front d'horloge se déplace horizontalement dans le temps. Cette variation correspond à la gigue du front d'horloge. Dans ce cas, la gigue crête à crête est d'environ 100 picosecondes (ps).

Les tracés du bas montrent des vues étendues horizontalement du spectre de fréquences du signal d'horloge de 100 MHz à l'aide d'un affichage de densité de puissance. Quatre spectres superposés montrent les différences de largeur spectrale pour des valeurs de gigue de front de 10, 50, 100 et 500 ps. On constate l'élargissement de la ligne spectrale pour les gigues plus importantes. Le bruit de phase est généralement mesuré à l'aide d'un analyseur de spectre ou d'un dispositif de test de bruit de phase dédié, et il est habituellement présenté à un décalage de fréquence fixe par rapport à la fréquence fondamentale d'horloge. Par exemple, le bruit de phase peut être spécifié comme étant de -96 décibels par rapport à la porteuse (dBc) à un décalage de 10 kilohertz (kHz) par rapport à la porteuse.

Contrôle de la gigue et du bruit de phase

Les concepteurs peuvent contrôler la gigue et le bruit de phase dans les chaînes de distribution d'horloge en utilisant des générateurs d'horloge à faible bruit de phase, comme l'ADF4001BCPZ d'Analog Devices. Ce dispositif offre une largeur de bande de 200 MHz et présente une spécification de bruit de phase typique de -99 dB/Hz à un décalage de 1 kHz par rapport à la fréquence d'horloge (Figure 2).

Figure 2 : L'ADF4001BCPZ d'Analog Devices est un générateur d'horloge de 200 MHz à faible bruit de phase avec une spécification de bruit de phase typique de -99 dB/Hz à un décalage de 1 kHz par rapport à la fréquence d'horloge. (Source de l'image : Analog Devices)

La distribution d'une horloge à plusieurs dispositifs requiert un tampon d'horloge à retard nul. En plus de garantir une très faible différence de temporisation, ces dispositifs réduisent également la gigue grâce à leurs boucles à verrouillage de phase (PLL) internes. À titre d'exemple, le tampon à retard nul CY2308SXC-3T de Cypress Semiconductor possède deux séries de quatre sorties. Il fonctionne dans une gamme de fréquences de 10 à 133 MHz et offre une gigue cycle à cycle typique de 60 ps à la sortie (Figure 3).

Figure 3 : Le tampon à retard nul CY2308SXC-3T de Cypress Semiconductor en boîtier 16-SOIC offre une gigue cycle à cycle typique de 60 ps à la sortie. (Source de l'image : Cypress Semiconductor)

Conclusion

En résumé, pour répondre à la question initiale, le bruit de phase et la gigue sont deux vues différentes de la même information sur la stabilité de la temporisation de l'horloge ou des données, le bruit de phase étant la vue dans le domaine fréquentiel tandis que la gigue correspond à l'interprétation dans le domaine temporel. Une sélection adéquate des composants permet de les réduire tous les deux.

À propos de l'auteur

Image of Art Pini

Arthur (Art) Pini est un auteur-collaborateur chez Digi-Key Electronics. Il est titulaire d'une licence en génie électrique du City College of New York et d'un master en génie électrique de la City University of New York. Il affiche plus de 50 ans d'expérience en électronique et a occupé des postes clés en ingénierie et en marketing chez Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek et Nicolet Scientific. Il s'intéresse aux technologies de mesure et possède une vaste expérience des oscilloscopes, des analyseurs de spectre, des générateurs de formes d'ondes arbitraires, des numériseurs et des wattmètres.

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