利用頻域時(shí)鐘抖動(dòng)分析加快設計驗證過(guò)程

　　簡(jiǎn)介

　　隨著(zhù)數據速率的提高，時(shí)鐘抖動(dòng)分析的需求也在與日俱增。在高速串行數據鏈路中，時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì )影響發(fā)射機、傳輸線(xiàn)和接收機的數據抖動(dòng)。保證時(shí)鐘質(zhì)量的測量也在不斷發(fā)展。目前的重點(diǎn)是針對比特誤碼率，在時(shí)鐘性能和系統性能之間建立直接聯(lián)系。我們將探討參考時(shí)鐘的作用和時(shí)鐘抖動(dòng)對數據抖動(dòng)的影響，并討論在E5052B信號源分析儀(SSA)上運行的Agilent E5001A精確時(shí)鐘抖動(dòng)分析應用軟件所配備的全新測量技術(shù)。該應用軟件提供了前所未有的強大能力，可以對隨機抖動(dòng)(RJ)和周期抖動(dòng)(PJ)分量超低 RJ測量和實(shí)時(shí)抖動(dòng)頻譜分析，使您能夠提高設計質(zhì)量。我們還將對新解決方案的實(shí)時(shí)測量功能進(jìn)行討論，這一功能能夠加快設計驗證過(guò)程。

　　參考時(shí)鐘在高速串行應用中的作用

　　圖1是參考時(shí)鐘的主要分量。發(fā)射機通常將一組速率較低的并行信號轉換成串行數據流。信號經(jīng)過(guò)一條包括多個(gè)背板和電纜的傳輸通道進(jìn)行傳送。接收機通常會(huì )解釋輸入的串行數據，從中分離出時(shí)鐘，再把串行數據重新轉換成并行數據流。在許多諸如此類(lèi)的說(shuō)明中，參考時(shí)鐘更多地被視為一種分量但不是主要分量，而在高速串行數據系統中，我們必須承認參考時(shí)鐘是一種主要分量。通常，參考時(shí)鐘的振蕩速率遠遠低于數據速率，但它會(huì )在發(fā)射機中成倍增長(cháng)。發(fā)射機使用參考時(shí)鐘來(lái)確定串行數據流中的邏輯變換定時(shí)。發(fā)射的數據中包括參考時(shí)鐘的特征。在接收機中可能會(huì )出現兩種不同的情況。如果未分配參考時(shí)鐘，則接收機會(huì )利用鎖相環(huán)(PLL)從數據流中還原時(shí)鐘――并利用該時(shí)鐘定位采樣時(shí)間點(diǎn)。如果已分配參考時(shí)鐘，則接收機會(huì )同時(shí)使用數據信號和參考時(shí)鐘來(lái)定位采樣點(diǎn)。

　　圖1.參考時(shí)鐘的作用

　　時(shí)鐘抖動(dòng)對發(fā)射機數據抖動(dòng)的影響

　　參考時(shí)鐘是最終的系統定時(shí)源。它為發(fā)射機、已分配和未分配的時(shí)鐘系統提供時(shí)基，而接收機的時(shí)鐘恢復電路可以重現參考時(shí)鐘特征?，F在我們將探討時(shí)鐘抖動(dòng)如何在系統發(fā)射機中進(jìn)行傳輸。

　　發(fā)射機必須用適當的因數乘以參考時(shí)鐘獲得數據速率，才能確定邏輯變換定時(shí)。例如，對于100 MHz參考時(shí)鐘和5 Gb/s輸出信號，發(fā)射機將用PLL給參考時(shí)鐘乘以因數50。PLL乘法器不僅放大時(shí)鐘抖動(dòng)，還引入其自身的抖動(dòng)，主要是PLL壓控振蕩器(VCO)的 RJ。頻率乘以因數n的結果是相位噪聲功率載波比乘以n2，所以抖動(dòng)迅速變大。

　　圖2.發(fā)射機時(shí)鐘抖動(dòng)的結果

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　　發(fā)射機中的PLL乘法器具有一定的頻率響應，通常是如圖3所示的二階響應。非均勻頻率響應會(huì )產(chǎn)生一個(gè)值得注意的問(wèn)題：時(shí)鐘抖動(dòng)實(shí)際上有什么影響?如果PLL非常出色且帶寬為零，那么它將過(guò)濾掉所有的時(shí)鐘抖動(dòng)，而為發(fā)射機提供無(wú)抖動(dòng)時(shí)基。當然，零帶寬意味著(zhù)無(wú)限鎖定時(shí)間，所以我們不得不綜合考慮，但是PLL帶寬越窄，參考時(shí)鐘加入數據中的抖動(dòng)就越小。確定時(shí)鐘是否能在系統中正常工作且符合預期的 BER要求，需要對抖動(dòng)頻譜進(jìn)行詳細測試。

　　圖3. PLL頻率響應

　　真實(shí)的抖動(dòng)源

　　如果觀(guān)察實(shí)際環(huán)境中的高速數字電路，您會(huì )發(fā)現許多抖動(dòng)源，如圖4所示。跟我們前面討論的一樣，時(shí)鐘信號通常分配給多個(gè)IC，時(shí)鐘頻率可能進(jìn)行乘法和/或除法運算。假設來(lái)自晶體振蕩器的參考時(shí)鐘具有較低的抖動(dòng)，因為IC帶來(lái)的附加噪聲或其他設備產(chǎn)生的干擾，所以經(jīng)過(guò)乘法或除法運算的輸出時(shí)鐘也可能不是非常干凈。

　　一個(gè)主要污染源就是開(kāi)關(guān)電源的噪聲。開(kāi)關(guān)頻率一般為100 kHz到1 MHz。開(kāi)關(guān)電源噪聲可能會(huì )注入時(shí)鐘信號線(xiàn)路，它在左下圖中顯示為PJ。

　　其他周期抖動(dòng)分量的來(lái)源可能是數據或時(shí)鐘線(xiàn)路的干擾，經(jīng)互調后可能位于時(shí)鐘線(xiàn)上，也顯示為PJ分量。只要PJ分量表現的遠離時(shí)鐘頻率，它就極有可能插入帶通濾波器(或低通濾波器)來(lái)消除這些抖動(dòng)。然而，問(wèn)題是周期抖動(dòng)在什么時(shí)間接近時(shí)鐘頻率，因為高頻高Q濾波器很難得到。參考時(shí)鐘的RJ也一樣，時(shí)鐘除法器可能添加寬帶噪聲，這可能會(huì )使輸出時(shí)鐘信號的RJ增加。

　　要診斷各種問(wèn)題，設計人員必須表征有關(guān)電路物理布局和/或工作環(huán)境下的時(shí)鐘抖動(dòng)。

　　圖4.實(shí)際環(huán)境中的抖動(dòng)源

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　　通過(guò)相位噪聲測量技術(shù)表征時(shí)鐘抖動(dòng)

　　全面分析時(shí)鐘信號要求達到飛秒級精度，只有相位噪聲測量技術(shù)才能達到這種精度。相位噪聲分析提供兩種主要測量：Sψ(fψ)和ψ(t)，它們根據相位噪聲測量帶寬限制收集時(shí)鐘的所有相位信息。

　　在相位噪聲分析儀上分析RJ可以完成兩個(gè)重要目標。首先，通過(guò)集成RJ頻譜，可以提取預定帶寬中的相應RJ高斯分布寬度。其次，通過(guò)分析Sψ(fψ)的冪級數行為確定RJ的主要原因。(圖5)

　　在相位噪聲頻譜中可以看到PJ分量的雜散。所以PJ頻率知識對于診斷問(wèn)題非常有幫助。參考每個(gè)PJ頻率的PJ rms也能幫您了解每個(gè)PJ分量對總體時(shí)鐘抖動(dòng)的影響，查看去除主要PJ分量之后總體抖動(dòng)的變化。(圖6)

　　圖5.分析相位噪聲測量的RJ

　　圖6.相位噪聲測量的PJ頻率

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　　通過(guò)先進(jìn)的體系結構進(jìn)行實(shí)時(shí)抖動(dòng)測量

　　與傳統的抖動(dòng)測量模式不同，帶有 E5001A軟件的E5052B SSA可以對相位噪聲測量進(jìn)行實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析。該儀器使用PLL提供參考源。它能夠自動(dòng)檢測時(shí)鐘頻率，在幾毫秒內把內置參考源自動(dòng)調諧為時(shí)鐘頻率，測量相位檢波器保持PLL所產(chǎn)生的噪聲信號。它在250 MSa/s ADC上捕獲噪聲信號，從而可以進(jìn)行100 MHz抖動(dòng)帶寬測量。該測量涵蓋OC-192抖動(dòng)分析范圍。實(shí)時(shí)FFT可以獲得頻域數據，并能顯著(zhù)提高測量速度。例如，1 kHz到100 MHz帶寬的測量每次只需0.3秒。

　　圖7. Agilent E5052B信號源分析儀的先進(jìn)體系結構

　　利用交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)獲得出色的抖動(dòng)本底噪聲

　　E5052B抖動(dòng)測量分辨率和本底噪聲非常低，通常10Gbps速率時(shí)的RJ本底噪聲僅為幾飛秒。由于A(yíng)DC的動(dòng)態(tài)范圍有限，且其內部參考時(shí)基的剩余抖動(dòng)較大，高性能(實(shí)時(shí)或采樣)示波器的抖動(dòng)本底噪聲通常在一百飛秒以上。E5052B通過(guò)檢測基帶(其中較大的載波信號已刪除)的相位噪聲來(lái)保持寬動(dòng)態(tài)范圍。E5052B利用兩個(gè)獨立的內部測量通道之間的獨特交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)，將抖動(dòng)測量極限擴大到低于其內部時(shí)基的殘余抖動(dòng)。(參見(jiàn)圖7)與目前的高性能示波器相比，E5052B利用這種交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)把抖動(dòng)本底噪聲降低了100倍到1,000倍。(圖8)

　　圖8.利用交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)獲得的出色抖動(dòng)本底噪聲

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　　實(shí)時(shí)仿真PLL響應

　　圖9表示直接應用于時(shí)鐘相位噪聲信號的PLL響應功能的結果。您可以看到如何消除頻譜的不同部分，使您可以分析與應用相關(guān)的抖動(dòng)。E5052B對相位噪聲測量的實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析功能可加快您的設計進(jìn)程。 E5052B SSA可以導入任何PLL響應函數，使您可以輕松快速地仿真設備到設備的PLL響應。

　　圖9.仿真PLL響應

　　總結

　　對于高速串行數據應用，時(shí)鐘抖動(dòng)分析的主要目的是確定參考時(shí)鐘的抖動(dòng)對系統比特誤碼率的影響。最精確的方法是對時(shí)鐘應用發(fā)射機(和接收機)在最壞情況下的傳遞函數，并測量獲得的時(shí)鐘RJ和PJ。在E5052B上運行的E5001A精確時(shí)鐘抖動(dòng)分析軟件改變了傳統的抖動(dòng)測量方式，它不僅能以飛秒級分辨率對時(shí)鐘抖動(dòng)進(jìn)行全面分析，而且具有出色的易用性和實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析功能，可以幫助您加快設計驗證過(guò)程。