在高精度時(shí)間間隔測(cè)量中隔離位誤碼率突發(fā)事件

發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和隔離罕見定時(shí)事件(rare timing event)、競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)和非確定性抖動(dòng)效應(yīng)通常十分困難。隨著業(yè)界采用各種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和近似方法來(lái)判斷設(shè)計(jì)方案的統(tǒng)計(jì)特性何時(shí)達(dá)到“足夠好”的水平，這一點(diǎn)在今天變得尤為突出。更重要的是，這個(gè)問(wèn)題還很容易掩蓋潛在的重大設(shè)計(jì)缺陷。本文介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的案例研究，它不注重理論分析，而是嘗試展示如何通過(guò)逐周期的波形分析來(lái)大幅提高工程人員的能力，使他們對(duì)罕見事件更加了解，進(jìn)而捕捉這些罕見事件并分析其實(shí)質(zhì)，隔離其來(lái)源。

我們需要測(cè)試串行數(shù)據(jù)流的組成，它們與高性能數(shù)字視頻應(yīng)用中的信號(hào)有些類似。我們采用HP 8133A精密數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和取樣速率達(dá)20GSa/sec的安捷倫54855A實(shí)時(shí)示波器來(lái)激勵(lì)和捕捉一系列單次數(shù)字波形。8133A發(fā)生器廣泛用來(lái)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)流和時(shí)鐘。這種脈沖發(fā)生器的一些新款型功能更強(qiáng)，為用戶對(duì)已知數(shù)字信號(hào)進(jìn)行精密抖動(dòng)測(cè)量提供了最大的裕度。圖1顯示了8133A的抖動(dòng)測(cè)試性能，在ASA公司的M1上測(cè)量時(shí)，小于800fs RMS。

可以想象，當(dāng)某天發(fā)現(xiàn)8133A產(chǎn)生類型稍有不同的測(cè)量結(jié)果時(shí)，我們會(huì)有多么驚訝。圖2中左側(cè)圖形是一個(gè)很不尋常的結(jié)果，數(shù)據(jù)信號(hào)中的規(guī)則抖動(dòng)應(yīng)當(dāng)與右側(cè)圖形相似才對(duì)。

實(shí)際上，我們?cè)谧畛跻约斑M(jìn)行的所有研究取樣中從未見過(guò)這種“四模式”柱狀圖。這個(gè)柱狀圖是如此罕見，以至于在使用眼圖和柱狀圖進(jìn)行數(shù)百次取樣(經(jīng)歷好幾天時(shí)間)和查找之后，我們?cè)僖矝](méi)有見到過(guò)與之相似的柱狀圖。當(dāng)我們決心要找到和顯示同樣的柱狀圖，并為此做出了一番精心策劃的努力之后，對(duì)它的看法也相應(yīng)發(fā)生了改變。

不過(guò)，假設(shè)在研究試驗(yàn)中偶然捕捉到了類似“四模式”柱狀圖的一個(gè)瞬時(shí)、單次出現(xiàn)的波形取樣。果真如此，可能會(huì)想：“嗯，這可真是怪事，一定是哪兒出錯(cuò)了，才會(huì)出現(xiàn)這種情況！”之后，我們很可能按下“運(yùn)行/停止”按鈕再次取樣，特別是當(dāng)覺(jué)得自己的設(shè)備吞吐率高、更新快速、非常令人滿意時(shí)。由于上面的“四模式”柱狀圖實(shí)際上是一個(gè)罕見事件時(shí)，因此下一個(gè)以及下幾百個(gè)取樣幾乎肯定不會(huì)再出現(xiàn)類似的結(jié)果。

事實(shí)上，在查找過(guò)程中我們一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種“四模式”柱狀圖。當(dāng)我們認(rèn)識(shí)到自己遇到的問(wèn)題時(shí)，我們就必搜索這個(gè)圖形。但是，在搜索之前，我們必須知道它確實(shí)存在。而且，由于罕見事件如此稀少，捕捉它們的最佳途徑就是一開始就秉持正確的態(tài)度。

了解罕見事件

在ASA公司，我們很少認(rèn)為統(tǒng)計(jì)方法能夠幫助找到罕見定時(shí)或抖動(dòng)事件。我們相信罕見事件要比人們想象的普通得多。罕見事件有多種不同的形式，有些真正是非常難得發(fā)生一次的差錯(cuò)，其他的是一些長(zhǎng)周期事件，有些是以短時(shí)突發(fā)形式發(fā)生的。我們也了解所有測(cè)試設(shè)備的一些基本局限，人們應(yīng)該具備相應(yīng)的洞察力，可以理解測(cè)試設(shè)備表明的有關(guān)罕見事件的意義。本文后面將簡(jiǎn)要概述一下測(cè)試設(shè)備的部分局限性。實(shí)時(shí)、逐周期的波形捕捉要遠(yuǎn)比欠采樣方法好得多，我們傾向于取樣一次隨即就對(duì)它進(jìn)行分析；而不是大量取樣，再通過(guò)運(yùn)用測(cè)量算法對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)得出結(jié)果。我們相信，查找罕見定時(shí)事件成功的一半在于如何設(shè)計(jì)查找方法。

發(fā)現(xiàn)罕見事件

不過(guò)，如何才能發(fā)現(xiàn)這種稍縱即逝的“四模式”柱狀圖呢？我們?cè)诖袛?shù)據(jù)流上測(cè)量RjDj。無(wú)論是RjDj數(shù)值本身，還是眼圖或波形都無(wú)法識(shí)別出這個(gè)罕見錯(cuò)誤。在一次連續(xù)取樣過(guò)程中觀察M1時(shí)，注意到有時(shí)單次采樣的Rj/Dj/Tj數(shù)值突然“跳動(dòng)”一個(gè)相當(dāng)大的幅度，即使累加了 100次采樣之后仍然如此。這種現(xiàn)象非常特別，因?yàn)楸粶y(cè)系統(tǒng)據(jù)信是非常穩(wěn)定的。這個(gè)現(xiàn)象也在收斂指示器上得到了證實(shí)，它們一直顯示處于收斂狀態(tài)，只在罕見情況下才出現(xiàn)發(fā)散。這種現(xiàn)象令我們感到奇怪，測(cè)量?jī)x器告訴我們發(fā)生了問(wèn)題。

起初，我們分析肯定是自己在測(cè)量時(shí)出錯(cuò)了，但在使用新的54850系列示波器時(shí)，感覺(jué)和使用8133A一樣。而這種示波器性能非常優(yōu)秀，不可能自己產(chǎn)生這種現(xiàn)象。一定是軟件中有什么錯(cuò)誤！但是，我們什么也沒(méi)找到，于是開始審視自己的測(cè)量方法，但是也沒(méi)有找到想象中的錯(cuò)誤。我們嘗試再次進(jìn)行測(cè)量，卻無(wú)法復(fù)現(xiàn)先前的結(jié)果。

我們利用M1的“記錄到磁盤”特性，記錄下了20分鐘左右過(guò)程中進(jìn)行的500次連續(xù)取樣所獲得的帶時(shí)間標(biāo)記的數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用M1的Rj/Dj ASM(針對(duì)特定應(yīng)用的測(cè)量)屏幕上的“保存”功能，將每次取樣的Rj/Dj/Tj值保存到了一個(gè)文本文件。這個(gè)文本文件被加載到Excel，根據(jù)取樣序號(hào)繪出了Rj/Dj/Tj曲線，如圖3所示。Tj圖至少顯示出了三個(gè)明顯的“跳變”，對(duì)應(yīng)的取樣序號(hào)約為63、106和280。

這時(shí)，我們開始意識(shí)到出現(xiàn)了一些奇怪的情況。毫無(wú)道理，Tj的值會(huì)在一次取樣中劇烈增加，一定是數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了什么問(wèn)題。

識(shí)別罕見事件

利用M1 的“自動(dòng)加載”特性和早前保存的時(shí)間標(biāo)記數(shù)據(jù)，我們可以按多種視圖查看數(shù)據(jù)，以便了解在兩次取樣之間它們是如何改變的，或者有無(wú)改變。查看信號(hào)沿抖動(dòng)柱狀圖時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)某些取樣的柱狀圖分布形狀與其他大部分取樣顯著不同，參見本文前面的頭兩幅柱狀圖。找到那些特定的取樣后，發(fā)現(xiàn)它們正是使Tj值發(fā)生跳變的那幾個(gè)取樣。

這時(shí)，我們開始把這三個(gè)事件看作罕見定時(shí)事件。我們認(rèn)識(shí)到在500個(gè)取樣中只發(fā)現(xiàn)3了個(gè)奇怪的取樣，而且每個(gè)取樣記錄了大約3萬(wàn)個(gè)周期的波形，總共有約1500萬(wàn)個(gè)周期的波形信息。顯然，這是一個(gè)虛假事件，如果不是罕見事件的話。但它不是那種經(jīng)過(guò)15天數(shù)據(jù)傳輸之后才出現(xiàn)一個(gè)位誤碼的罕見事件。另外一點(diǎn)需要注意的是，柱狀圖的形狀很不相同，表明不止一位數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，而是有一系列數(shù)據(jù)位都發(fā)生了錯(cuò)位。這次錯(cuò)誤不是一個(gè)單獨(dú)的錯(cuò)誤，而是偶然出現(xiàn)的一組錯(cuò)誤。更專業(yè)的表述是，這次錯(cuò)誤看來(lái)是罕見的、偶然性的和突發(fā)性的。

考察問(wèn)題取樣數(shù)據(jù)所繪出的信號(hào)沿抖動(dòng)圖和脈寬抖動(dòng)圖中的尖峰位置時(shí)，可發(fā)現(xiàn)以下二者的位置之間有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性：1. 已知跳變位置；2. 與問(wèn)題取樣相關(guān)的篩選信號(hào)沿抖動(dòng)中的明顯變化。殘差與平均單位間隔時(shí)間的影響并不是根本性的。通過(guò)這個(gè)分析，有關(guān)M1的疑問(wèn)基本上被排除了。因此我們得到的結(jié)論是，在發(fā)生跳變的取樣位置上很可能確實(shí)存在BER突發(fā)。

分離罕見事件

為了確定上述特性是確實(shí)存在于信號(hào)本身，還是M1或示波器所帶來(lái)的，我們用不同的示波器、不同的脈沖發(fā)生器和不同的抖動(dòng)分析工具進(jìn)行了很多次測(cè)試。結(jié)果表明，只有這個(gè)特定的信號(hào)發(fā)生器表現(xiàn)出了“跳變”的特性。這給了我們很大信心，問(wèn)題應(yīng)當(dāng)出在信號(hào)源本身，或是某種環(huán)境因素對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生了影響。

由此可見，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是將脈沖發(fā)生器與其所在的環(huán)境隔離開來(lái)。事實(shí)上，多年來(lái)ASA公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有許多環(huán)境不適合進(jìn)行精確的定時(shí)和抖動(dòng)測(cè)量。一些日常的辦公環(huán)境會(huì)成為引起位誤碼的來(lái)源。有時(shí)，這些環(huán)境問(wèn)題會(huì)影響信號(hào)發(fā)送源，就象本例中的情況一樣。大多數(shù)時(shí)候，它們影響的是接收器。

我們并不關(guān)心是8133A脈沖發(fā)生器對(duì)耦合進(jìn)來(lái)的環(huán)境因素過(guò)于敏感，還是儀器本身產(chǎn)生了錯(cuò)誤。我們關(guān)心的是，到現(xiàn)在可以推斷，我們多年來(lái)一直信賴的標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器看來(lái)至少容易受到一些(內(nèi)部或外部)激勵(lì)所引起的BER突發(fā)的影響。這是一個(gè)首先需要抓住的事實(shí)。

發(fā)現(xiàn)罕見事件的其他方法

發(fā)現(xiàn)罕見事件的方法很多。最常用的方法就是讓示波器以無(wú)限制持續(xù)模式整晚運(yùn)行。這樣有可能在眼圖或柱狀圖中捕獲一些蛛絲馬跡。當(dāng)然，我們同樣也有可能忽略這些數(shù)據(jù)。歸根到底，人們不可能真正知道在整個(gè)夜晚期間環(huán)境中到底發(fā)生了什么情況。更重要的是，許多示波器，尤其是那些不執(zhí)行逐周期波形取樣并在屏幕上顯示取樣存儲(chǔ)器中每一個(gè)周期數(shù)據(jù)的那些儀器，要以小于100波形/秒的更新速率在寬度為兩個(gè)周期的時(shí)間窗口中發(fā)現(xiàn)一個(gè)罕見事件(如10^-12 BER)不是一件容易的事情，即使連續(xù)工作10小時(shí)也未必能做到。而且就算捕捉到了罕見事件，“四模式”柱狀圖又表明了誤碼來(lái)源的什么信息呢？回顧一下，現(xiàn)在已經(jīng)得到了“四模式”柱狀圖，但仍然無(wú)法確定僅憑這個(gè)柱狀圖本身能表明問(wèn)題起源的任何信息。不過(guò)它確實(shí)表明出現(xiàn)了問(wèn)題。

如果用PRBS波形通過(guò)硬件或軟件方式來(lái)進(jìn)行同步，有些示波器可以追溯錯(cuò)誤圖案的位置。這種方法使用方便，但實(shí)際上它只適用于示波器能夠與信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行同步的激勵(lì)/響應(yīng)應(yīng)用。這種系統(tǒng)無(wú)法用于實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)中的真實(shí)數(shù)據(jù)。另外，使用PRBS信號(hào)源來(lái)調(diào)試設(shè)備對(duì)于查找由確定性時(shí)不變錯(cuò)誤(如符號(hào)之間的干擾)引起的誤碼可能非常有幫助。但是，重復(fù)性的PRBS圖案測(cè)試對(duì)于實(shí)時(shí)信號(hào)并不足夠，除非采用一個(gè)很長(zhǎng)的PRBS圖案，并且使用一個(gè)既能查看確定性時(shí)不變定時(shí)錯(cuò)誤又能查看非確定性時(shí)變定時(shí)錯(cuò)誤的實(shí)時(shí)示波器來(lái)捕捉這個(gè)圖案。一種理想的方法是使用一臺(tái)實(shí)時(shí)示波器和一個(gè)長(zhǎng)PRBS圖案或一個(gè)由實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)境中部件的實(shí)時(shí)應(yīng)用所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)隨機(jī)數(shù)據(jù)流。

我們本來(lái)可以利用一個(gè)位誤碼率測(cè)試器(BERT)來(lái)幫助表征異?，F(xiàn)象，它們對(duì)表征設(shè)計(jì)非常有益，但也非常昂貴(即使租用一個(gè)月也是代價(jià)不菲)。而且，雖然我們知道通過(guò)這種方法可以判定系統(tǒng)是否存在一些問(wèn)題，但位誤碼率數(shù)值又表明了什么信息呢？位誤碼率測(cè)試器確實(shí)具有許多優(yōu)秀的功能可用來(lái)表征多種不同情形下的位誤碼率，但是在實(shí)踐中，我們很少看見系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員用它來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)試。

本文小結(jié)

本文介紹了很多技巧，特別是在罕見事件的捕捉方面。首先，發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊的柱狀圖、一個(gè)無(wú)法解釋的測(cè)量結(jié)果，或者一個(gè)統(tǒng)計(jì)上的罕見曲線之后，你應(yīng)該立即停止正在進(jìn)行的工作，并相信它是真實(shí)的。不要再次按下示波器的“運(yùn)行/停止”按鈕，希望消除這個(gè)現(xiàn)象。相反，你應(yīng)該立即將波形保存到硬盤。這有可能是一個(gè)罕見事件。其次，在這個(gè)例子中，不考慮抖動(dòng)特征中的非確定性現(xiàn)象可能是不對(duì)的。BER突發(fā)不是某種容易通過(guò)一次重復(fù)測(cè)試來(lái)表征的現(xiàn)象。第三，有些方法會(huì)忽略罕見事件，如欠采樣、等時(shí)波形捕捉、完全只注意RjDj的數(shù)值大小而忽視其在時(shí)間上的收斂性等，這些方法都會(huì)掩蓋潛在的罕見事件。

本例中的BER突發(fā)是在比較凈化的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的。在實(shí)時(shí)應(yīng)用中，很少會(huì)有凈化的環(huán)境。實(shí)際系統(tǒng)的電路板上有許多不確定的抖動(dòng)和虛假電子信號(hào)。ASA公司發(fā)現(xiàn)，許多工程人員使用堆疊式裝置而希望產(chǎn)生或測(cè)量皮秒級(jí)的定時(shí)，這是不切實(shí)際的。

某些部件對(duì)于虛假外部激勵(lì)的影響具有較好的耐受性?？上Ш苌儆胁考O(shè)計(jì)人員(甚或使用這些零部件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員)花時(shí)間來(lái)了解外部虛假激勵(lì)的敏感性，這可能會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)后續(xù)的問(wèn)題。

回頭再看，幾乎所有工具都可能遇到這些錯(cuò)誤，任何方法也都可能發(fā)生這些錯(cuò)誤。重要的是，在本例中，M1的幾項(xiàng)功能幫助我們更加迅速地掌握到了罕見事件的實(shí)質(zhì)。首先，我們采用了一種非統(tǒng)計(jì)的方法。M1的RjDj提取法建立在逐周期數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)之上，它使非確定性BER的效果得以迅速地呈現(xiàn)出來(lái)。其次，我們使用M1的抖動(dòng)頻域視圖來(lái)將取樣轉(zhuǎn)化到頻域，以了解問(wèn)題采樣中是否有任何頻率分量導(dǎo)致誤碼發(fā)生。本例中雖然沒(méi)有出現(xiàn)這種情況，但在其他情況下，這是另一項(xiàng)特別有用的調(diào)試工具。再次，M1的“記錄到磁盤”功能以及全新的“自動(dòng)加載”特性也對(duì)分析極其有用。新的RjDj文本保存特性也是如此。最后，在本例的調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)繪出各個(gè)周期的RjDj曲線和觀察RjDj的收斂/發(fā)散情況來(lái)查看RjDj值的跳變情況也非常重要。相對(duì)任何欠取樣方法而言，實(shí)時(shí)、逐周期的取樣并不是一個(gè)微不足道的優(yōu)點(diǎn)。基于這一分析，我們強(qiáng)烈推薦你采用M1，這不僅是為了表征串行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也是了解和調(diào)試它的需要。

作者：Greg Walz

產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

Amherst Systems Associates

Email: greg_walz@amherst-systems.com