10G信號抖動(dòng)測量的檢定分析方法

由于不斷追求更高性能，有效數據窗的單位間隔(UI)繼續縮短。速率為1Gbps時(shí)，UI為1000 ps;5Gbps縮短為200ps;10Gbps則為100ps。對于100ps的有效數據窗，在系統沒(méi)有連貫而可靠地發(fā)送和接收數據之前，只能容忍很小的Tj (總抖動(dòng))。以上述速度傳輸時(shí)，Tj結果需遠小于100ps，而Rj (隨機抖動(dòng))更是以飛秒(fs)為單位。有什么技術(shù)和工具能用來(lái)檢定這些飛秒系統呢?

　　基本上，隨著(zhù)速度的提升，高速I(mǎi)/O設計遭遇到較以往更大的挑戰。很多最新標準要求物理層的比特誤碼率為10–12。然而，隨著(zhù)UI逐漸縮小，要想保持這個(gè)數量級的誤碼率也越來(lái)越難。最終，這就意味著(zhù)設備級抖動(dòng)要繼續縮短。例如，5Gbps的SuperSpeed USB 3.0規定Rj為2.42ps RMS;10Gbps的SFP規定Tj為28ps，Rj為1ps左右。

　　定時(shí)分析

　　所有采用電壓變換來(lái)體現定時(shí)情況的電氣系統，都伴有討厭的定時(shí)抖動(dòng)。當信號速率不斷提高、電壓擺動(dòng)縮小以降低功耗時(shí)，系統的抖動(dòng)在信號發(fā)送間隔占到相當大的比重。這種情況下，抖動(dòng)成為基本的性能限制。是否具有抖動(dòng)檢定能力，對成功運用符合性能要求的高速第三代(Gen 3)系統至關(guān)重要。如圖1所示，每個(gè)時(shí)鐘的數據級、上升沿和下降沿都在D處表示出來(lái)。數據鎖存是數據通信的關(guān)鍵環(huán)節，無(wú)論在何種工具(示波器或軟件仿真系統)上，都以眼圖形式顯示。在每個(gè)時(shí)鐘上，邊沿的定時(shí)位置(如果有的話(huà))有助于時(shí)鐘/數據延時(shí)統計分布。這種位移即抖動(dòng)或時(shí)間間隔誤差(TIE)。

　　TIE抖動(dòng)是相對已知或已恢復時(shí)鐘測量出的信號定時(shí)誤差。在串行數據的應用中，TIE通常被稱(chēng)為抖動(dòng)。TIE很重要，因為其甚至能顯示一段時(shí)間內少量抖動(dòng)的累積效應。以圖2為例，每毫微秒時(shí)鐘邊沿的TIE標準偏差是9.6ps。

　　圖1: 串行數據中的抖動(dòng)，每個(gè)時(shí)鐘的數據級、上升沿和下降沿都在D處表示出來(lái)。數據鎖存是數據通信的關(guān)鍵環(huán)節，在示波器上以眼圖形式顯示。

　　圖2: TIE抖動(dòng)測量有其他方法測量單波形抖動(dòng)，包括周期性抖動(dòng)和cycle-to-cycle抖動(dòng)。

　　然而，測量信號波形上抖動(dòng)的方法還包括測量周期抖動(dòng)(period jitter)和相鄰周期間抖動(dòng)(cycle-to-cycle jitter)。周期抖動(dòng)是對信號的測量，通常針對從一個(gè)沿到另一相似沿的重復信號。常見(jiàn)的周期測量工具，會(huì )測量某一信號的上升沿到下一上升沿之間的數值。采用數據傳輸方式(如DDR內存)，同時(shí)利用上升沿和下降沿來(lái)記時(shí)數據比特，這時(shí)測量周期僅為半個(gè)周期。在采集周期測量值的有效樣值后，可分辨標準偏差和峰值。該統計數據即信號中的周期性抖動(dòng)。

　　對于相鄰周期間抖動(dòng)，通過(guò)應用簡(jiǎn)單算法計算剛剛獲取的周期測量值。如果已知兩個(gè)相鄰周期的定時(shí)信息，其差值便是相鄰周期間變化：周期1減去周期2。此外，對周期進(jìn)行有效采樣，并測量周期間的差值后，即可得出標準偏差和峰值。統計出的數據即相鄰周期間抖動(dòng)。

　　抖動(dòng)分量

　　將抖動(dòng)按組成進(jìn)行拆分，可提高精度并看清BER性能的根源。最常用的抖動(dòng)模型基于圖3所示的分級結構。雖然也有分析抖動(dòng)的其他方法，但這種方法是T11 FC-MJSQ所認可，且目前最為常用的，因為它直接顯示與BER性能相關(guān)的分量。

　　圖3: 按抖動(dòng)類(lèi)型進(jìn)行的抖動(dòng)分析

　　在這種分級結構中，首先將總抖動(dòng)分為兩類(lèi)：隨機抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)(Dj)，然后再將確定性抖動(dòng)分為若干類(lèi)：周期抖動(dòng)(Pj，有時(shí)也稱(chēng)正弦波抖動(dòng)或Sj )、占空比抖動(dòng)(DCD)以及數據相關(guān)抖動(dòng)(DDj，也稱(chēng)符號間干擾ISI)。有時(shí)也會(huì )加入另外一個(gè)類(lèi)別，即有界不相關(guān)抖動(dòng)BUj。

　　如果要測量在高信號速率時(shí)構成Tj的各分量，應采用本底噪聲低、頻率響應平穩、抖動(dòng)測量底限低和觸發(fā)抖動(dòng)小的儀器。例如，ON Semiconductor發(fā)現在檢定其高速ECL器件時(shí)，需采用系統抖動(dòng)200fs RMS而且帶寬較寬的儀器。芯片設計者發(fā)現幾個(gè)ps的信號移位，甚至是在fs范圍內的移位，也可能干擾發(fā)送(TX)和接收(RX)性能。

　　值得注意的是，盡管大多數串行通信標準都對抖動(dòng)容差或抖動(dòng)限值做出規定，但其中所采用的技術(shù)參數較為模糊，或者在分析抖動(dòng)時(shí)采用了不同的基本原理。標準文件傾向于概述可量化的抖動(dòng)限值，但并沒(méi)有提出多少指導意見(jiàn)來(lái)幫助確定在特定應用時(shí)哪一種限值更為重要。各種形式的抖動(dòng)都有可能干擾系統BER，不同的工具在檢測抖動(dòng)時(shí)有不同的優(yōu)勢。