存在串擾時(shí)的抖動(dòng)和定時(shí)分析

串行數據標準持續迅猛發(fā)展，大幅度改善了PC和服務(wù)器系統的性能。測試這些更高速的標準、找到抖動(dòng)證據，對長(cháng)期穩定性及在設計中實(shí)現優(yōu)異的誤碼率(BER)目標至關(guān)重要。為高效進(jìn)行分析，首先要選擇適當的儀器，很好地了解儀器噪聲、上升時(shí)間及三階諧波性能、四階諧波性能、五階諧波性能等因素。

但還不僅僅是測量這么簡(jiǎn)單，合適的儀器必需與適當的分析工具配套使用。在測試8 Gb/s以上的串行數據速率時(shí)，還要考慮其它因素，如抖動(dòng)分離和去嵌/嵌入。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹存在串擾時(shí)的一種新的抖動(dòng)分離方法，隨著(zhù)通路數量提高，以提升計算系統吞吐量，串擾問(wèn)題正越來(lái)越多。

所有采用電壓跳變表示定時(shí)信息的電氣系統都有定時(shí)抖動(dòng)。在歷史上，電氣系統通過(guò)采用相對較低的信令速率來(lái)減緩定時(shí)抖動(dòng)(或簡(jiǎn)稱(chēng)為抖動(dòng))的負面影響。隨著(zhù)數據速率攀升到8 Gb/sec以上，抖動(dòng)占信令間隔的比重已經(jīng)很大，了解抖動(dòng)類(lèi)型和抖動(dòng)來(lái)源對成功部署高速串行技術(shù)非常關(guān)鍵。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，抖動(dòng)是邊沿與本應位置相比的偏差，如圖1所示。根據ITU的定義，抖動(dòng) 是數字信號在有效時(shí)點(diǎn)較理想時(shí)間位置的短期變化.

圖1 抖動(dòng)是邊沿較本應位置的偏差

可以通過(guò)多種方式測量單個(gè)波形上的抖動(dòng)，包括周期性抖動(dòng)、周期間抖動(dòng)和時(shí)間間隔誤差(TIE)，設計通常決定著(zhù)哪種指標合適。在獨立式振蕩器中，信號是時(shí)鐘，可能會(huì )跳頻或掃頻。這里，周期性抖動(dòng)是合適的指標。在串行數據流的發(fā)射機中，信號是數據流，ISI(碼間干擾)是關(guān)鍵問(wèn)題。這里，TIE抖動(dòng)是合適的指標。

處理抖動(dòng)問(wèn)題的工程師有大量的儀器可以選擇，每種儀器都有獨特的優(yōu)勢和劣勢：

· 實(shí)時(shí)數字存儲示波器(DSO)恢復整個(gè)波形，可以測量任何指標，可以用于TIE、周期到周期抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)測量。但它在頻率(或位速率)、解析頻譜、小的抖動(dòng)及多電平調制方面有局限性 .

· BER測試儀(BERT)特別適合TIE抖動(dòng)，特別是TJ或總抖動(dòng)，這是TIE的一種形式。BERT的優(yōu)勢是它計數每個(gè)比特，但測試執行起來(lái)耗費時(shí)間較長(cháng)。

· 實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)可以用于周期間抖動(dòng)測量和周期性抖動(dòng)測量，支持移動(dòng)設備的復雜調制，查看時(shí)鐘、PLL,了解其動(dòng)態(tài)性能。其局限性包括跨度(低于100 MHz)和帶寬信號，具有大的調制頻譜。

· 等效時(shí)間采樣示波器提供了最佳的帶寬，可以用于串行數據的所有抖動(dòng)測量。目前，這些示波器是唯一支持噪聲分析和BER眼圖的儀器。其局限性是沒(méi)有實(shí)時(shí)捕獲功能，只能用于重復的碼型，某些抖動(dòng)頻譜有假信號。

人們經(jīng)常提出的一個(gè)問(wèn)題是如果我們最終只關(guān)心BER,那么為什么還要擔心抖動(dòng)。這是因為眼圖(寬度)閉上得太多時(shí)會(huì )導致誤差。抖動(dòng)和噪聲分析工具可以迅速預測和分析BER中的問(wèn)題。最終，一切都歸結于誤差，而消除設計中的這些誤差要求了解抖動(dòng)過(guò)高的一個(gè)或多個(gè)原因。

首先應從整體BER角度了解系統的運行方式。示波器使用眼圖和統計分析，生成浴缸圖。之所以叫浴缸圖，是因為在極限變化時(shí)，得到的圖形形狀像浴缸。在使用BERT儀器時(shí)，每個(gè)位的具體數量會(huì )得到一個(gè)抖動(dòng)峰值圖。如圖2所示，左面來(lái)自BERT的抖動(dòng)峰值與右面示波器抖動(dòng)浴缸圖幾乎完全等效。

圖2 左面BERT 抖動(dòng)峰值與右面示波器抖動(dòng)浴缸之間的BER性能等效圖

鑒于結果緊密對準，示波器成為BERT非常實(shí)用的補充，因為使用BERT測量直到BER=10-12的TJ會(huì )需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，結果并不能揭示哪類(lèi)問(wèn)題導致抖動(dòng)。示波器可以以智能方式測量少量數據，然后把抖動(dòng)劃分成各種抖動(dòng)成分，其一般采用圖3所示的公認的抖動(dòng)模型。通過(guò)做出假設，示波器可以進(jìn)行
圖3 業(yè)內抖動(dòng)模型：2001-2010

串擾問(wèn)題為實(shí)現性能目標，大多數串行系統采用多條通路。隨著(zhù)頻率和數據速率提高到10 Gb/s以上，少量的串擾就會(huì )吃光抖動(dòng)預算，產(chǎn)生定時(shí)問(wèn)題。

在一個(gè)信號受到相鄰信號影響時(shí)，會(huì )發(fā)生串擾。在數據速率很高時(shí)，信號傳播方式更像是導波，而不是簡(jiǎn)單的DC電流。波由傳導軌跡引導，但通過(guò)介電介質(zhì)輻射，一般是FR4.當存在一個(gè)以上的信號時(shí)，電路板上的每條傳導軌跡在其它每條軌跡上帶有假信號。公認的術(shù)語(yǔ)是侵入信號會(huì )在被侵入信號上導致串擾。在引導被侵入信號的導體撿拾到侵入信號時(shí)，就會(huì )發(fā)生串擾。電路布線(xiàn)中不可避免的不連續點(diǎn)(如連接器和通路)是關(guān)鍵點(diǎn)，在生成串擾時(shí)，它們的行為方式類(lèi)似于天線(xiàn)。

實(shí)時(shí)采樣示波器和等效時(shí)間采樣示波器采用基于頻譜的抖動(dòng)分析技術(shù)，隔離各種抖動(dòng)成分。在實(shí)時(shí)采樣設備上，如果頻率成分沒(méi)有假信號，那么抖動(dòng)和電壓噪聲頻譜有副諧波峰值，它們會(huì )被涂抹到電路板諧振形狀中，而不是表現為銳線(xiàn)。在采樣不足的設備上，如頻譜帶有假信號的等效時(shí)間采樣示波器，串擾表現為連續的噪聲。

在實(shí)時(shí)采樣示波器和等效時(shí)間采樣示波器中，這些基于頻譜的抖動(dòng)分析技術(shù)都通過(guò)對連續抖動(dòng)頻譜求積分來(lái)測量隨機抖動(dòng)(RJ)，由于串擾定時(shí)效應而夸大RJ.這會(huì )導致RJ提高，高估TJ.圖4顯示了示波器測量的抖動(dòng)，在本例中，示波器測量的DUT擁有大量的串擾。

圖4 與BERT相比，示波器中的TJ誤差。(注： RTO = 實(shí)時(shí)示波器，采樣 = 等效時(shí)間示波器)

串擾在示波器中表現為有界不相關(guān)抖動(dòng)或BUJ,因為它采用有界分布。數據碼型的復雜性會(huì )使分布的有界特點(diǎn)變得模糊。1和0似乎隨機的分布會(huì )導致在每個(gè)侵入信號跳變上傳送不同數量的電壓噪聲。