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基于數字示波器的高精度抖動(dòng)測試方法
作者：
時(shí)間：2012-03-21
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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越來(lái)越多的高速計算機和通信系統開(kāi)始采用高速串行總線(xiàn)在芯片間，背板間和系統設備間傳送高速數據。在串行數據傳輸過(guò)程中，任何微小的高速時(shí)鐘和數據抖動(dòng)都會(huì )對整個(gè)系統產(chǎn)生巨大的影響，在這種情況下，抖動(dòng)已經(jīng)成為設計高速數字系統成敗的關(guān)鍵。最典型的應用是傳統的33M PCI并行總線(xiàn)正在被采用高速串行技術(shù)的PCI-Express取代，它的最新標準支持的數據率已經(jīng)到5Gb/s，一個(gè)UI的寬度才200ps，任何微小的抖動(dòng)都會(huì )導致數據傳輸錯誤。
從當前各種高速串行總線(xiàn)和數據鏈路的定時(shí)余量規范中表明，在整個(gè)數字系統中更加嚴格地控制抖動(dòng)是必須的。只有全面有效的測試和分析抖動(dòng)，其根本原因才能被隔離，從而針對引起系統抖動(dòng)的原因來(lái)減少抖動(dòng)，提高系統性能和穩定性。像PCI-Express、FBD、InfiniBand、SerialATA和 DVI等都對于時(shí)鐘和數據抖動(dòng)有明確要求。本文針對示波器進(jìn)行的實(shí)時(shí)抖動(dòng)測試方法，探討了影響抖動(dòng)測試結果的關(guān)鍵因素。
典型的抖動(dòng)測試方法
為成功地設計高速數字系統，不僅需要理解什么是抖動(dòng)，計算抖動(dòng)的大小，還需要對不同的抖動(dòng)分量進(jìn)行隔離和分解，分析造成抖動(dòng)的原因，進(jìn)而避免在高速系統中出現抖動(dòng)造成的系統故障。在了解抖動(dòng)測試前，明智選擇合適的抖動(dòng)測試工具和方法成為整個(gè)抖動(dòng)測試工作的第一步。目前有幾種抖動(dòng)測試工具可供選擇，誤碼儀 (BERT)直接測試系統的誤碼率，但是價(jià)位昂貴，功能單一，不適合設計人員和調試人員；采用時(shí)間間隔分析儀測試抖動(dòng)也存在功能單一，抖動(dòng)分析能力不足的限制。高性能數字示波器成為當前最流行的抖動(dòng)測試工具。
對于數字示波器而言，典型的抖動(dòng)測試方法主要有2種：
1) 采用數字存儲示波器的等效采樣模式或直接使用采樣示波器，通過(guò)直方圖統計測量定時(shí)抖動(dòng)。等效采樣的缺點(diǎn)是無(wú)法消除示波器自身的觸發(fā)抖動(dòng)對測試結果的影響，并且由于它采用的是多次觸發(fā)、多次采集、累計顯示的工作方式，對于電路設計和調試而言受到較多的限制，無(wú)法進(jìn)行深層的抖動(dòng)分析。
2) 更為流行的方法是采用數字存儲示波器的實(shí)時(shí)捕獲模式，單次觸發(fā)，連續采集大量數據，配合相應的抖動(dòng)測試軟件進(jìn)行抖動(dòng)測試。對比于等效采樣方法它消除由于示波器自身的觸發(fā)抖動(dòng)對測試結果造成的影響，并且能夠進(jìn)行復雜的抖動(dòng)分析和抖動(dòng)分解得到每一個(gè)抖動(dòng)分量，幫助設計和測試人員分析抖動(dòng)產(chǎn)生的原因，甚至通過(guò)抖動(dòng)分解估算系統的誤碼率。例如，在美國國家信息標準委員會(huì )(INCITS)下屬的T11.2組織在有關(guān)抖動(dòng)和信號完整性方法論(MJSQ)中，推薦泰克實(shí)時(shí)示波器配合TDSJIT3抖動(dòng)分析軟件進(jìn)行抖動(dòng)測試和分析。圖1是TDSJIT3實(shí)時(shí)抖動(dòng)測試結果。
圖1：TDSJIT3進(jìn)行高速數據的抖動(dòng)測試和分解。
抖動(dòng)測試
抖動(dòng)可以描述為相鄰脈沖邊沿、甚至非相鄰脈沖邊沿周期或相位的定時(shí)變化。這些指標適合檢定長(cháng)期和短期的時(shí)鐘和數據穩定性。通過(guò)更加深入地分析抖動(dòng)指標，利用抖動(dòng)測試結果，預測復雜系統的數據傳輸性能。
周期抖動(dòng)用來(lái)衡量時(shí)鐘或數據周期樣點(diǎn)的邊沿到邊沿定時(shí)。例如，通過(guò)測量1,000個(gè)時(shí)鐘周期上升沿之間的時(shí)間，可以對統計的周期取樣，統計數據會(huì )告訴您信號的質(zhì)量。標準偏差變成RMS周期抖動(dòng)，最大周期減去最小周期，得到峰到峰周期抖動(dòng)。每個(gè)不同周期測量的精度決定著(zhù)抖動(dòng)測量的精度。
相位抖動(dòng)用來(lái)衡量被測信號邊沿相對于一個(gè)參考信號邊沿的時(shí)間偏差，從而可以檢測到信號相位中的任何變化。這一指標在許多方面不同于周期測量指標。第一，它單獨使用每個(gè)邊沿，而沒(méi)有使用“period”或“cycle”一類(lèi)的說(shuō)法。第二，它可以測量大的時(shí)間位移。邊沿相位可以偏離幾百或幾千度，但仍可以以非常高的精度進(jìn)行測量(360度等于一個(gè)周期或循環(huán)時(shí)間)。測量相位誤差常用的指標是時(shí)間間隔誤差(TIE)，測量結果用相對于度的秒來(lái)表示。TIE把信號邊沿與參考邊沿匹配起來(lái)，對各邊沿之差相加計算總和。在比較了大量的邊沿之后，可以為分析提供一個(gè)樣點(diǎn)集合。與上面的周期測量一樣，標準偏差變成RMS TIE，最大時(shí)間減最小時(shí)間得到峰到峰值TIE等等。TIE測試精度取決于構成樣點(diǎn)集合的各個(gè)測量的精度。圖2顯示的是對一個(gè)時(shí)鐘信號的不同抖動(dòng)測試參數。
圖2：典型的時(shí)鐘信號抖動(dòng)測試參數。
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