10G信號抖動(dòng)測量

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。

　　解決具有挑戰性的抖動(dòng)測量問(wèn)題

　　最常見(jiàn)的抖動(dòng)捕捉分析儀器是實(shí)時(shí)示波器?，F代數字化儀表緊緊跟隨逐漸提升的數據率步伐，可配置對抖動(dòng)及其分量進(jìn)行詳細分析的集成應用軟件。不過(guò)，選擇范圍并不局限于DSA和DPO。其他完全不同的工具也有自己的優(yōu)勢，其測量能力會(huì )出現部分重疊。這些工具包括誤碼率測試儀(BERT)、抖動(dòng)分析儀、計數器/定時(shí)器和頻譜分析儀。

　　實(shí)時(shí)示波器是電子研發(fā)和設計中最常用的測量工具之一，因此當需要分析研究抖動(dòng)問(wèn)題時(shí)，它很可能成為第一道“防線(xiàn)”。DSA/DPO可在其帶寬和分辨率范圍內進(jìn)行幾乎所有類(lèi)型的抖動(dòng)測量。

　　DSA/DPO具有抖動(dòng)測量多功能性的原因在于：它可在多個(gè)DUT工作周期內捕捉很長(cháng)的時(shí)間窗。由于示波器的采樣存儲器中保存著(zhù)過(guò)去很長(cháng)時(shí)間波形活動(dòng)的歷史記錄，因此我們能對隨著(zhù)上升時(shí)間、脈沖寬度和各種抖動(dòng)變化而變化的屬性進(jìn)行研究。

　　能處理10Gbps數據率的高端示波器的適用特性如下：

　　* 20 GHz帶寬；

　　* 抖動(dòng)本底噪聲低，大約300fs(300 x 10-15s)，能夠最小化DUT抖動(dòng)測量對示波器的依賴(lài)性。

　　* 8位捕捉，提供了足以應對最新串行標準的動(dòng)態(tài)范圍，適合16級調制方案。

　　方程式的重要部分是能提供使抖動(dòng)測量和分析自動(dòng)完成的工具集。抖動(dòng)測量屬于一個(gè)精細學(xué)科，但也有助于提供專(zhuān)用的軟件解決方案(假設示波器平臺支持這種功能)。

　　有些應用的要求超過(guò)了實(shí)時(shí)DSA/DPO示波器的能力。這些儀器的實(shí)時(shí)帶寬和分辨率必須與DUT的數據率及其諧波相當。此外，部分形式的多級調制對儀器區分不同級別的能力有苛刻的要求。這種情況下，采用另一種抖動(dòng)測量工具將更為合適。

　　采樣示波器

　　取樣示波器給抖動(dòng)測量提供了較寬的帶寬。取樣示波器可能是觀(guān)察數據率高達60Gbps信號的唯一有效工具。而且，當需要捕捉相對較“慢”的信號諧波時(shí)，也適合采用取樣示波器。

　　取樣示波器根據重復性輸入樣本來(lái)構建波形采集，波形樣本來(lái)源于無(wú)數個(gè)周期。許多類(lèi)型的串行設備都能提供產(chǎn)生這種重復波形流的診斷回路，或者利用外部數據生成器作為驅動(dòng)源。

　　取樣示波器可配置應用特有的抖動(dòng)/噪音分析軟件包，以提供抖動(dòng)分離、噪聲分離和BER目測等抖動(dòng)分析功能。

　　影響抖動(dòng)測量的示波器特性

　　定時(shí)精度是單次定時(shí)測量最重要的技術(shù)要求，因為它決定著(zhù)測量值有多接近實(shí)際值。它既考慮了可重復性，也考慮了分辨率。定時(shí)精度由許多因素決定，包括采樣間隔、時(shí)基準確度、量化誤差、內插誤差、放大器垂直噪聲和取樣時(shí)鐘抖動(dòng)。其中任何一種因素都會(huì )造成定時(shí)誤差，而所有因素共同作用構成增量時(shí)間精度 (DTA)。高端示波器的DTA近似等于：

　　式中： A = 輸入信號幅度(V)

　　trm =10~90%被測量的上升時(shí)間(s)

　　N=輸入參考噪聲(VRMS)

　　tj=中/短期孔徑不確定性(sRMS)

　　TBA =時(shí)基準確度(2ppm)

　　持續時(shí)間(duration)=增量時(shí)間測量值(sec)

　　所有這些都假設是采用高斯濾波器響應產(chǎn)生的邊沿波形。

　　特定儀器的特殊DTA信息可以通過(guò)查閱其手冊找到。通常情況下，規范意味著(zhù)對任何邊-邊的定時(shí)測量都可確定結果精度，對NIST是有保障并可追溯的。上面的方程式中含有標度、信號幅度、輸入噪聲和其他影響因素。DTA這個(gè)話(huà)題太復雜，無(wú)法在本文中進(jìn)行全面的解釋。不過(guò)，如果試圖按飛秒級來(lái)檢定定時(shí)系統，則應考慮DTA。

　　測量分辨率

　　測量分辨率定義了可靠檢測測量變化的能力，不要把它和測量精度，甚至是測量重復性相混淆。在定時(shí)測量中，分辨率是辨別信號定時(shí)中細微變化的能力，而不管變化是有目的的，還是由噪音引起的。硬件計數器的位寬度、甚至計數器的電頻寬等基本因素，都會(huì )限制定時(shí)分辨率。某些隱性的因素，如執行算術(shù)平均運算的軟件等，也會(huì )對定時(shí)分辨率構成限制。

　　硬件定時(shí)器中，如像典型時(shí)間間隔分析器(TIA、SIA)等，其定時(shí)分辨率的硬件限制在數百飛秒。如果硬件計數器或等效電路的時(shí)鐘定在5GHz，那它就無(wú)法檢測到小于0.2ps的任何變化。這是器件的物理局限。

　　實(shí)時(shí)示波器的定時(shí)分辨率則受到采樣率、內插精度和基于軟件的數學(xué)運算庫的限制。在使用50Gsps采樣率和SIN(X)/X內插時(shí)，分辨率可能會(huì )達到幾十飛秒。因為在這種情況下分辨率是基于數學(xué)運算庫的，因此實(shí)際分辨率低于一飛秒(0.0001ps)。

　　分辨率體現著(zhù)測量定時(shí)中極細微變化的能力，但這可能并不一定反映真實(shí)情況。想想，當測量變化小于儀器內的固有噪聲時(shí)，會(huì )發(fā)生什么情況？因此，在測量小幅噪聲或抖動(dòng)時(shí)，必須考慮示波器系統的抖動(dòng)本底噪聲。只是簡(jiǎn)單地知道系統分辨率，對理解精度或示波器的整體能力的實(shí)際極限并沒(méi)有什么幫助。

　　抖動(dòng)本底噪聲(JNF)

　　抖動(dòng)本底噪聲(JNF)是抖動(dòng)測量時(shí)儀器固有的噪聲。在示波器中JNF決定著(zhù)可以檢測到的抖動(dòng)底限。JNF附近的抖動(dòng)幅度客觀(guān)上是無(wú)法觀(guān)察到的。驗證JNF的方法之一，便是測量沒(méi)有噪聲的、完美定好的信號。盡管理想的信號非常少見(jiàn)，不過(guò)可用來(lái)表征抖動(dòng)本底噪聲的適合信號源還是存在的。對于這種測試，我們推薦采用的常用儀器為低相位噪聲的高精度射頻發(fā)生器。還可采用反射脈沖不變的短接傳輸線(xiàn)，來(lái)測量反射脈沖寬度。

　　高端示波器的JNF方程式如下：

　　式中FSj =最大輸入范圍，所有這些都假設是采用高斯濾波器響應產(chǎn)生的邊沿波形。

　　TIE用于測量JNF，因為它包括信號中的任意相位誤差，無(wú)論高頻、低頻、單事件或累積誤差。此外，采用實(shí)時(shí)儀器，TIE方法的基準可成為一個(gè)經(jīng)過(guò)計算的理想時(shí)鐘。如圖4所示，采用DPO/DSA實(shí)時(shí)示波器時(shí)，振蕩器上的TIE極小，僅為328fs RMS。

圖4: 實(shí)時(shí)示波器抖動(dòng)本底噪聲的測量，TIE為328 fs RMS。

　　影響JNF的另一因素，是抖動(dòng)噪聲的頻帶將含在結果中。包括抖動(dòng)在內的所有噪聲都有頻率分量，波長(cháng)從幾千米到幾埃。當測量JNF時(shí)，還應考慮所涉及頻帶上的限制。通常來(lái)說(shuō)，這些值表示最長(cháng)記錄長(cháng)度和最大取樣率上的JNF。

　　目前市面上性能最好的一款FPGA是數據率為11.3 Gbps的Altera Stratix IV。圖5所示的測試報告，根據高性能采樣示波器采集的數據生成，當Tj為22.18 ps時(shí)Rj僅395 fs。

圖5: Altera Stratix IV FPGA的抖動(dòng)分析顯示圖（ 400 fs Rj）