存在串?dāng)_時(shí)的抖動(dòng)和定時(shí)分析

串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)迅猛發(fā)展，大幅度改善了PC和服務(wù)器系統(tǒng)的性能。測(cè)試這些更高速的標(biāo)準(zhǔn)、找到抖動(dòng)證據(jù)，對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性及在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的誤碼率(BER)目標(biāo)至關(guān)重要。為高效進(jìn)行分析，首先要選擇適當(dāng)?shù)膬x器，很好地了解儀器噪聲、上升時(shí)間及三階諧波性能、四階諧波性能、五階諧波性能等因素。

但還不僅僅是測(cè)量這么簡(jiǎn)單，合適的儀器必需與適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ吲涮资褂?。在測(cè)試8 Gb/s以上的串行數(shù)據(jù)速率時(shí)，還要考慮其它因素，如抖動(dòng)分離和去嵌/嵌入。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹存在串?dāng)_時(shí)的一種新的抖動(dòng)分離方法，隨著通路數(shù)量提高，以提升計(jì)算系統(tǒng)吞吐量，串?dāng)_問(wèn)題正越來(lái)越多。

所有采用電壓跳變表示定時(shí)信息的電氣系統(tǒng)都有定時(shí)抖動(dòng)。在歷史上，電氣系統(tǒng)通過(guò)采用相對(duì)較低的信令速率來(lái)減緩定時(shí)抖動(dòng)(或簡(jiǎn)稱為抖動(dòng))的負(fù)面影響。隨著數(shù)據(jù)速率攀升到8 Gb/sec以上，抖動(dòng)占信令間隔的比重已經(jīng)很大，了解抖動(dòng)類型和抖動(dòng)來(lái)源對(duì)成功部署高速串行技術(shù)非常關(guān)鍵。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，抖動(dòng)是邊沿與本應(yīng)位置相比的偏差，如圖1所示。根據(jù)ITU的定義，抖動(dòng) 是數(shù)字信號(hào)在有效時(shí)點(diǎn)較理想時(shí)間位置的短期變化.

圖1 抖動(dòng)是邊沿較本應(yīng)位置的偏差

可以通過(guò)多種方式測(cè)量單個(gè)波形上的抖動(dòng)，包括周期性抖動(dòng)、周期間抖動(dòng)和時(shí)間間隔誤差(TIE)，設(shè)計(jì)通常決定著哪種指標(biāo)合適。在獨(dú)立式振蕩器中，信號(hào)是時(shí)鐘，可能會(huì)跳頻或掃頻。這里，周期性抖動(dòng)是合適的指標(biāo)。在串行數(shù)據(jù)流的發(fā)射機(jī)中，信號(hào)是數(shù)據(jù)流，ISI(碼間干擾)是關(guān)鍵問(wèn)題。這里，TIE抖動(dòng)是合適的指標(biāo)。

處理抖動(dòng)問(wèn)題的工程師有大量的儀器可以選擇，每種儀器都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)：

· 實(shí)時(shí)數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)恢復(fù)整個(gè)波形，可以測(cè)量任何指標(biāo)，可以用于TIE、周期到周期抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)測(cè)量。但它在頻率(或位速率)、解析頻譜、小的抖動(dòng)及多電平調(diào)制方面有局限性 .

· BER測(cè)試儀(BERT)特別適合TIE抖動(dòng)，特別是TJ或總抖動(dòng)，這是TIE的一種形式。BERT的優(yōu)勢(shì)是它計(jì)數(shù)每個(gè)比特，但測(cè)試執(zhí)行起來(lái)耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。

· 實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)可以用于周期間抖動(dòng)測(cè)量和周期性抖動(dòng)測(cè)量，支持移動(dòng)設(shè)備的復(fù)雜調(diào)制，查看時(shí)鐘、PLL,了解其動(dòng)態(tài)性能。其局限性包括跨度(低于100 MHz)和帶寬信號(hào)，具有大的調(diào)制頻譜。

· 等效時(shí)間采樣示波器提供了最佳的帶寬，可以用于串行數(shù)據(jù)的所有抖動(dòng)測(cè)量。目前，這些示波器是唯一支持噪聲分析和BER眼圖的儀器。其局限性是沒(méi)有實(shí)時(shí)捕獲功能，只能用于重復(fù)的碼型，某些抖動(dòng)頻譜有假信號(hào)。

人們經(jīng)常提出的一個(gè)問(wèn)題是如果我們最終只關(guān)心BER,那么為什么還要擔(dān)心抖動(dòng)。這是因?yàn)檠蹐D(寬度)閉上得太多時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤差。抖動(dòng)和噪聲分析工具可以迅速預(yù)測(cè)和分析BER中的問(wèn)題。最終，一切都?xì)w結(jié)于誤差，而消除設(shè)計(jì)中的這些誤差要求了解抖動(dòng)過(guò)高的一個(gè)或多個(gè)原因。

首先應(yīng)從整體BER角度了解系統(tǒng)的運(yùn)行方式。示波器使用眼圖和統(tǒng)計(jì)分析，生成浴缸圖。之所以叫浴缸圖，是因?yàn)樵跇O限變化時(shí)，得到的圖形形狀像浴缸。在使用BERT儀器時(shí)，每個(gè)位的具體數(shù)量會(huì)得到一個(gè)抖動(dòng)峰值圖。如圖2所示，左面來(lái)自BERT的抖動(dòng)峰值與右面示波器抖動(dòng)浴缸圖幾乎完全等效。

圖2 左面BERT 抖動(dòng)峰值與右面示波器抖動(dòng)浴缸之間的BER性能等效圖

鑒于結(jié)果緊密對(duì)準(zhǔn)，示波器成為BERT非常實(shí)用的補(bǔ)充，因?yàn)槭褂肂ERT測(cè)量直到BER=10-12的TJ會(huì)需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，結(jié)果并不能揭示哪類問(wèn)題導(dǎo)致抖動(dòng)。示波器可以以智能方式測(cè)量少量數(shù)據(jù)，然后把抖動(dòng)劃分成各種抖動(dòng)成分，其一般采用圖3所示的公認(rèn)的抖動(dòng)模型。通過(guò)做出假設(shè)，示波器可以進(jìn)行
圖3 業(yè)內(nèi)抖動(dòng)模型：2001-2010

串?dāng)_問(wèn)題為實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)，大多數(shù)串行系統(tǒng)采用多條通路。隨著頻率和數(shù)據(jù)速率提高到10 Gb/s以上，少量的串?dāng)_就會(huì)吃光抖動(dòng)預(yù)算，產(chǎn)生定時(shí)問(wèn)題。

在一個(gè)信號(hào)受到相鄰信號(hào)影響時(shí)，會(huì)發(fā)生串?dāng)_。在數(shù)據(jù)速率很高時(shí)，信號(hào)傳播方式更像是導(dǎo)波，而不是簡(jiǎn)單的DC電流。波由傳導(dǎo)軌跡引導(dǎo)，但通過(guò)介電介質(zhì)輻射，一般是FR4.當(dāng)存在一個(gè)以上的信號(hào)時(shí)，電路板上的每條傳導(dǎo)軌跡在其它每條軌跡上帶有假信號(hào)。公認(rèn)的術(shù)語(yǔ)是侵入信號(hào)會(huì)在被侵入信號(hào)上導(dǎo)致串?dāng)_。在引導(dǎo)被侵入信號(hào)的導(dǎo)體撿拾到侵入信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)生串?dāng)_。電路布線中不可避免的不連續(xù)點(diǎn)(如連接器和通路)是關(guān)鍵點(diǎn)，在生成串?dāng)_時(shí)，它們的行為方式類似于天線。

實(shí)時(shí)采樣示波器和等效時(shí)間采樣示波器采用基于頻譜的抖動(dòng)分析技術(shù)，隔離各種抖動(dòng)成分。在實(shí)時(shí)采樣設(shè)備上，如果頻率成分沒(méi)有假信號(hào)，那么抖動(dòng)和電壓噪聲頻譜有副諧波峰值，它們會(huì)被涂抹到電路板諧振形狀中，而不是表現(xiàn)為銳線。在采樣不足的設(shè)備上，如頻譜帶有假信號(hào)的等效時(shí)間采樣示波器，串?dāng)_表現(xiàn)為連續(xù)的噪聲。

在實(shí)時(shí)采樣示波器和等效時(shí)間采樣示波器中，這些基于頻譜的抖動(dòng)分析技術(shù)都通過(guò)對(duì)連續(xù)抖動(dòng)頻譜求積分來(lái)測(cè)量隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)，由于串?dāng)_定時(shí)效應(yīng)而夸大RJ.這會(huì)導(dǎo)致RJ提高，高估TJ.圖4顯示了示波器測(cè)量的抖動(dòng)，在本例中，示波器測(cè)量的DUT擁有大量的串?dāng)_。

圖4 與BERT相比，示波器中的TJ誤差。(注： RTO = 實(shí)時(shí)示波器，采樣 = 等效時(shí)間示波器)

串?dāng)_在示波器中表現(xiàn)為有界不相關(guān)抖動(dòng)或BUJ,因?yàn)樗捎糜薪绶植肌?shù)據(jù)碼型的復(fù)雜性會(huì)使分布的有界特點(diǎn)變得模糊。1和0似乎隨機(jī)的分布會(huì)導(dǎo)致在每個(gè)侵入信號(hào)跳變上傳送不同數(shù)量的電壓噪聲。