10G信號(hào)抖動(dòng)測(cè)量的檢定分析方法

由于不斷追求更高性能，有效數(shù)據(jù)窗的單位間隔(UI)繼續(xù)縮短。速率為1Gbps時(shí)，UI為1000 ps;5Gbps縮短為200ps;10Gbps則為100ps。對(duì)于100ps的有效數(shù)據(jù)窗，在系統(tǒng)沒(méi)有連貫而可靠地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)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(jié)果需遠(yuǎn)小于100ps，而Rj (隨機(jī)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(tǒng)呢?

　　基本上，隨著速度的提升，高速I(mǎi)/O設(shè)計(jì)遭遇到較以往更大的挑戰(zhàn)。很多最新標(biāo)準(zhǔn)要求物理層的比特誤碼率為10–12。然而，隨著UI逐漸縮小，要想保持這個(gè)數(shù)量級(jí)的誤碼率也越來(lái)越難。最終，這就意味著設(shè)備級(jí)抖動(dòng)要繼續(xù)縮短。例如，5Gbps的SuperSpeed USB 3.0規(guī)定Rj為2.42ps RMS;10Gbps的SFP規(guī)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(xiàn)定時(shí)情況的電氣系統(tǒng)，都伴有討厭的定時(shí)抖動(dòng)。當(dāng)信號(hào)速率不斷提高、電壓擺動(dòng)縮小以降低功耗時(shí)，系統(tǒng)的抖動(dòng)在信號(hào)發(fā)送間隔占到相當(dāng)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(duì)成功運(yùn)用符合性能要求的高速第三代(Gen 3)系統(tǒng)至關(guān)重要。如圖1所示，每個(gè)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)級(jí)、上升沿和下降沿都在D處表示出來(lái)。數(shù)據(jù)鎖存是數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無(wú)論在何種工具(示波器或軟件仿真系統(tǒng))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)有助于時(shí)鐘/數(shù)據(jù)延時(shí)統(tǒng)計(jì)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(duì)已知或已恢復(fù)時(shí)鐘測(cè)量出的信號(hào)定時(shí)誤差。在串行數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，TIE通常被稱(chēng)為抖動(dòng)。TIE很重要，因?yàn)槠渖踔聊茱@示一段時(shí)間內(nèi)少量抖動(dòng)的累積效應(yīng)。以圖2為例，每毫微秒時(shí)鐘邊沿的TIE標(biāo)準(zhǔn)偏差是9.6ps。

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

　　圖2: TIE抖動(dòng)測(cè)量有其他方法測(cè)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(cè)量信號(hào)波形上抖動(dòng)的方法還包括測(cè)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(duì)信號(hào)的測(cè)量，通常針對(duì)從一個(gè)沿到另一相似沿的重復(fù)信號(hào)。常見(jiàn)的周期測(cè)量工具，會(huì)測(cè)量某一信號(hào)的上升沿到下一上升沿之間的數(shù)值。采用數(shù)據(jù)傳輸方式(如DDR內(nèi)存)，同時(shí)利用上升沿和下降沿來(lái)記時(shí)數(shù)據(jù)比特，這時(shí)測(cè)量周期僅為半個(gè)周期。在采集周期測(cè)量值的有效樣值后，可分辨標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值。該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)即信號(hào)中的周期性抖動(dòng)。

　　對(duì)于相鄰周期間抖動(dòng)，通過(guò)應(yīng)用簡(jiǎn)單算法計(jì)算剛剛獲取的周期測(cè)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(duì)周期進(jìn)行有效采樣，并測(cè)量周期間的差值后，即可得出標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值。統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)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(jí)結(jié)構(gòu)。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(rèn)可，且目前最為常用的，因?yàn)樗苯语@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(jí)結(jié)構(gòu)中，首先將總抖動(dòng)分為兩類(lèi)：隨機(jī)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(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)(DDj，也稱(chēng)符號(hào)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(cè)量在高信號(hào)速率時(shí)構(gòu)成Tj的各分量，應(yīng)采用本底噪聲低、頻率響應(yīng)平穩(wěn)、抖動(dòng)測(cè)量底限低和觸發(fā)抖動(dòng)小的儀器。例如，ON Semiconductor發(fā)現(xiàn)在檢定其高速ECL器件時(shí)，需采用系統(tǒng)抖動(dòng)200fs RMS而且?guī)捿^寬的儀器。芯片設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)幾個(gè)ps的信號(hào)移位，甚至是在fs范圍內(nèi)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(shù)串行通信標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)抖動(dòng)容差或抖動(dòng)限值做出規(guī)定，但其中所采用的技術(shù)參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)意見(jiàn)來(lái)幫助確定在特定應(yīng)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(tǒng)BER，不同的工具在檢測(cè)抖動(dòng)時(shí)有不同的優(yōu)勢(shì)。