如何用示波器測量確定性抖動(dòng)

抖動(dòng)測量而設計的專(zhuān)用測試設備各種各樣，但價(jià)格都非常高，而且對某些應用來(lái)說(shuō)太過(guò)專(zhuān)業(yè)而不適用。其實(shí)利用普通數字采樣示波器，設計人員也能準確快速地進(jìn)行確定性抖動(dòng)測量，成本比所預計的要低很多。本文介紹針對較短的測試序列如何用示波器進(jìn)行抖動(dòng)測量。

準確的抖動(dòng)測量對以太網(wǎng)和光通路元件來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰。抖動(dòng)可以分成兩類(lèi)，即隨機性(??限)抖動(dòng)和確定性(有界限)抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)(DJ)包括在受控條件下能夠重現的所有抖動(dòng)，可以再細分為周期抖動(dòng)(PJ)、測試序列模板造成的抖動(dòng)(PDJ)、脈寬失真(DCD)和有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng)。

產(chǎn)生確定性抖動(dòng)的主要原因有：

1．基準電平模糊。由系統低頻截止點(diǎn)引起，它會(huì )在長(cháng)串連續同樣數字(CID)附近產(chǎn)生抖動(dòng)。

2．系統帶寬不足。這會(huì )阻止某些脈沖達到穩態(tài)水平，在分隔的脈沖(如..010..或..101..數據序列)上引起抖動(dòng)。

3．放大器偏置?？稍诿看螖祿D換時(shí)引起脈寬變形。

4．非線(xiàn)性放大器效應。它會(huì )產(chǎn)生不可預測的抖動(dòng)影響，經(jīng)常在長(cháng)串CID之后引起抖動(dòng)。

5．電源噪聲和串擾。會(huì )產(chǎn)生與數據輸入無(wú)關(guān)的抖動(dòng)(有時(shí)稱(chēng)作有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng))。

光纖通訊系統中，抖動(dòng)會(huì )在每個(gè)元件上累積。在接收端，時(shí)鐘和數據恢復電路(CDR)分析數據并分解出串行速率時(shí)鐘，CDR上的抖動(dòng)表現為時(shí)鐘速率小頻率變化。緩慢的變化(小頻率抖動(dòng))很容易跟蹤，而快速變化(高頻抖動(dòng))則不那么容易。如果接收端有太多高頻抖動(dòng)，時(shí)鐘就不能分解出來(lái)，于是在數據通信中出現大量錯誤。

抖動(dòng)余量考慮

為防止上面所說(shuō)的這種情況出現，系統設計人員應考慮采用抖動(dòng)余量。注意確定性抖動(dòng)是線(xiàn)性增加的(在最壞情況下所有抖動(dòng)源都加在一起)，而隨機性抖動(dòng)則以幾何倍數增加(平方和再開(kāi)方)，這里假設引起隨機性抖動(dòng)的噪聲源是獨立無(wú)關(guān)的。將抖動(dòng)元件分開(kāi)會(huì )使每個(gè)元件產(chǎn)生的抖動(dòng)更加隨機，這有幾個(gè)好處，包括鏈接距離更長(cháng)及元件成本更低。

應注意的是，確定性抖動(dòng)測量誤差總是使元件確定性抖動(dòng)顯得更大，而且是直接從余量中減去，隨機性抖動(dòng)測量誤差沒(méi)有這么嚴重，所以更需要準確測量確定性抖動(dòng)。

測量確定性抖動(dòng)需要知道一個(gè)數據模板序列。K28.5是測量光纖通道和工作在1Gb/s到3.125Gb/s以太網(wǎng)系統抖動(dòng)通常指定的序列模板，該序列是8B/10B譯碼表中的一個(gè)特殊字符，經(jīng)常表示一幀的開(kāi)始或結束。重復的K28.5序列(輪流由K28.5+和K28.5-構成)含有數據串0011111010110000010，它有五個(gè)連續的1和五個(gè)連續的0(8B/10B譯碼數據中最長(cháng)連續同樣數字)，它還含有分開(kāi)的1-010和0-101。

重復的K28.5序列可用于測量因基準電平模糊、低帶寬和偏置引起的確定性抖動(dòng)，其它序列更適合于測量非線(xiàn)性影響引起的抖動(dòng)。

抖動(dòng)測量

用示波器測量確定性抖動(dòng)通常有三種方法，分別是眼圖法、平均眼圖法和平均交叉測量法(表1)。

使用眼圖法時(shí)，示波器將同時(shí)顯示多個(gè)交叉的波形，可以迅速看到整體抖動(dòng)情況(確定性抖動(dòng)和隨機性抖動(dòng)結合在一起)。眼圖法的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快和設置方便，圖1顯示了測試設備和被測器件(DUT)的典型設置。但眼圖既不能把隨機性抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)分離開(kāi)，也不能將測試系統引起的抖動(dòng)去掉。

用眼圖法時(shí)應清楚觸發(fā)方式會(huì )掩蓋大部分確定性抖動(dòng)，例如假設序列發(fā)生器每10個(gè)時(shí)鐘周期提供一次觸發(fā)，如果序列長(cháng)度是偶數，那么示波器就不會(huì )在奇數位上觸發(fā)，這會(huì )將一些轉換掩蓋掉，利用奇數長(cháng)度序列或在序列發(fā)生器時(shí)鐘輸出上的觸發(fā)可以避免這個(gè)問(wèn)題。

如果被測器件含有時(shí)間再生電路(時(shí)鐘恢復或再定時(shí)器)，應采用好的鎖相環(huán)來(lái)恢復示波器觸發(fā)時(shí)鐘，該鎖相環(huán)是針對特定協(xié)議的。另外如果被測器件內有光學(xué)元件，還需要增加適當的光變換器(光-電或電-光轉換器)。必要時(shí)可假設光轉換器或鎖相環(huán)已包含在測試設備里。

有些示波器提供的平均模式能去除眼圖中的隨機性抖動(dòng)，這種模式與基本眼圖相比精確性和可重復性都更高，但與觸發(fā)有關(guān)的問(wèn)題同樣存在。

平均交叉測量法在K28.5序列上能準確測量確定性抖動(dòng)的大部分來(lái)源，其步驟如下：

1．如圖1所示連接好被測器件，將示波器觸發(fā)設為序列模板。

2．在示波器屏幕上顯示整個(gè)K28.5序列。

3．計算屏幕上每次轉換的預期交叉時(shí)間(最好是單位時(shí)間間隔，但應跳過(guò)沒(méi)有轉換的單位時(shí)間間隔)。

4．反復進(jìn)行平均運算。

5．把交叉制成表格并計算抖動(dòng)，重復K28.5序列(001111101011000001010)有10個(gè)交叉。

6．保證信號填滿(mǎn)垂直平面的至少2/3，這樣可使示波器的數字化性能最佳。

7．示波器主要位置設定盡可能小(使延遲離開(kāi)觸發(fā)，顯示盡可能短以減少觸發(fā)抖動(dòng))。

8．使用最大水平分辨率(多個(gè)水平點(diǎn))。

9．反復進(jìn)行平均(平均6?到1,000次)以減少隨機性抖動(dòng)。

注意周期性抖動(dòng)和有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng)不能用已平均的示波器波形來(lái)捕捉，應采用其它方法測量，如果能安全假設被測器件不會(huì )產(chǎn)生大量這類(lèi)抖動(dòng)，那就可用平均交叉測量。

對于使用擾頻器的系統，該技術(shù)則太過(guò)困難用不能使用，因為這類(lèi)系統的測試序列一般都很長(cháng)。例如通常用于測試擾頻數據系統的223-1偽隨機二進(jìn)制序列長(cháng)度超過(guò)800萬(wàn)比特，對如此長(cháng)的圖形進(jìn)行平均交叉測量很慢，而且也不準確。

增強準確性

當今很多元件的確定性抖動(dòng)與模板發(fā)生器和示波器的差不多或更小，因此要準確確定這些元件的抖動(dòng)就要先找出測試系統引入的抖動(dòng)，然后對測量進(jìn)行調整。把被測器件從測試裝置上拿掉并判定數據圖形每次轉換的抖動(dòng)可測出系統誤差，然后把被測器件放回到測試系統，再次測量抖動(dòng)值，可通過(guò)算術(shù)方法判定出被測器件產(chǎn)生的抖動(dòng)。

這里介紹的平均交叉測量方法非常適合于使用8B/10B編碼系統的以太網(wǎng)和光纖通道元件的確定性抖動(dòng)測量，僅采用常用測試設備就可進(jìn)行準確可重復的抖動(dòng)測量。