利用頻域時(shí)鐘抖動(dòng)分析加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程

　　簡(jiǎn)介

　　隨著數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路中，時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)影響發(fā)射機(jī)、傳輸線和接收機(jī)的數(shù)據(jù)抖動(dòng)。保證時(shí)鐘質(zhì)量的測(cè)量也在不斷發(fā)展。目前的重點(diǎn)是針對(duì)比特誤碼率，在時(shí)鐘性能和系統(tǒng)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(duì)數(shù)據(jù)抖動(dòng)的影響，并討論在E5052B信號(hào)源分析儀(SSA)上運(yùn)行的Agilent E5001A精確時(shí)鐘抖動(dòng)分析應(yīng)用軟件所配備的全新測(cè)量技術(shù)。該應(yīng)用軟件提供了前所未有的強(qiáng)大能力，可以對(duì)隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)和周期抖動(dòng)(PJ)分量超低 RJ測(cè)量和實(shí)時(shí)抖動(dòng)頻譜分析，使您能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。我們還將對(duì)新解決方案的實(shí)時(shí)測(cè)量功能進(jìn)行討論，這一功能能夠加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程。

　　參考時(shí)鐘在高速串行應(yīng)用中的作用

　　圖1是參考時(shí)鐘的主要分量。發(fā)射機(jī)通常將一組速率較低的并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流。信號(hào)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(jī)通常會(huì)解釋輸入的串行數(shù)據(jù)，從中分離出時(shí)鐘，再把串行數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)流。在許多諸如此類的說(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(shù)據(jù)系統(tǒng)中，我們必須承認(rèn)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)速率，但它會(huì)在發(fā)射機(jī)中成倍增長(zhǎng)。發(fā)射機(jī)使用參考時(shí)鐘來(lái)確定串行數(shù)據(jù)流中的邏輯變換定時(shí)。發(fā)射的數(shù)據(jù)中包括參考時(shí)鐘的特征。在接收機(jī)中可能會(huì)出現(xiàn)兩種不同的情況。如果未分配參考時(shí)鐘，則接收機(jī)會(huì)利用鎖相環(huán)(PLL)從數(shù)據(jù)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(jī)會(huì)同時(shí)使用數(shù)據(jù)信號(hào)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(duì)發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)抖動(dòng)的影響

　　參考時(shí)鐘是最終的系統(tǒng)定時(shí)源。它為發(fā)射機(jī)、已分配和未分配的時(shí)鐘系統(tǒng)提供時(shí)基，而接收機(jī)的時(shí)鐘恢復(fù)電路可以重現(xiàn)參考時(shí)鐘特征。現(xiàn)在我們將探討時(shí)鐘抖動(dòng)如何在系統(tǒng)發(fā)射機(jī)中進(jìn)行傳輸。

　　發(fā)射機(jī)必須用適當(dāng)?shù)囊驍?shù)乘以參考時(shí)鐘獲得數(shù)據(jù)速率，才能確定邏輯變換定時(shí)。例如，對(duì)于100 MHz參考時(shí)鐘和5 Gb/s輸出信號(hào)，發(fā)射機(jī)將用PLL給參考時(shí)鐘乘以因數(shù)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(shù)n的結(jié)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(jī)時(shí)鐘抖動(dòng)的結(jié)果

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　　發(fā)射機(jī)中的PLL乘法器具有一定的頻率響應(yīng)，通常是如圖3所示的二階響應(yīng)。非均勻頻率響應(yīng)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?guī)挒榱?，那么它將過(guò)濾掉所有的時(shí)鐘抖動(dòng)，而為發(fā)射機(jī)提供無(wú)抖動(dòng)時(shí)基。當(dāng)然，零帶寬意味著無(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(shù)據(jù)中的抖動(dòng)就越小。確定時(shí)鐘是否能在系統(tǒng)中正常工作且符合預(yù)期的 BER要求，需要對(duì)抖動(dòng)頻譜進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。

　　圖3. PLL頻率響應(yīng)

　　真實(shí)的抖動(dòng)源

　　如果觀察實(shí)際環(huán)境中的高速數(shù)字電路，您會(huì)發(fā)現(xiàn)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(hào)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(yùn)算。假設(shè)來(lái)自晶體振蕩器的參考時(shí)鐘具有較低的抖動(dòng)，因?yàn)镮C帶來(lái)的附加噪聲或其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾，所以經(jīng)過(guò)乘法或除法運(yùn)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(hào)線路，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(shù)據(jù)或時(shí)鐘線路的干擾，經(jīng)互調(diào)后可能位于時(shí)鐘線上，也顯示為PJ分量。只要PJ分量表現(xiàn)的遠(yuǎn)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?yàn)楦哳l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(hào)的RJ增加。

　　要診斷各種問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(cè)量技術(shù)表征時(shí)鐘抖動(dòng)

　　全面分析時(shí)鐘信號(hào)要求達(dá)到飛秒級(jí)精度，只有相位噪聲測(cè)量技術(shù)才能達(dá)到這種精度。相位噪聲分析提供兩種主要測(cè)量：Sψ(fψ)和ψ(t)，它們根據(jù)相位噪聲測(cè)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(biāo)。首先，通過(guò)集成RJ頻譜，可以提取預(yù)定帶寬中的相應(yīng)RJ高斯分布寬度。其次，通過(guò)分析Sψ(fψ)的冪級(jí)數(shù)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(shí)對(duì)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(duì)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(cè)量的RJ

　　圖6.相位噪聲測(cè)量的PJ頻率

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　　通過(guò)先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)量

　　與傳統(tǒng)的抖動(dòng)測(cè)量模式不同，帶有 E5001A軟件的E5052B SSA可以對(duì)相位噪聲測(cè)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(cè)時(shí)鐘頻率，在幾毫秒內(nèi)把內(nèi)置參考源自動(dòng)調(diào)諧為時(shí)鐘頻率，測(cè)量相位檢波器保持PLL所產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。它在250 MSa/s ADC上捕獲噪聲信號(hào)，從而可以進(jìn)行100 MHz抖動(dòng)帶寬測(cè)量。該測(cè)量涵蓋OC-192抖動(dòng)分析范圍。實(shí)時(shí)FFT可以獲得頻域數(shù)據(jù)，并能顯著提高測(cè)量速度。例如，1 kHz到100 MHz帶寬的測(cè)量每次只需0.3秒。

　　圖7. Agilent E5052B信號(hào)源分析儀的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)

　　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(cè)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ADC的動(dòng)態(tài)范圍有限，且其內(nèi)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(cè)基帶(其中較大的載波信號(hào)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(dú)立的內(nèi)部測(cè)量通道之間的獨(dú)特交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)，將抖動(dòng)測(cè)量極限擴(kuò)大到低于其內(nèi)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(yīng)

　　圖9表示直接應(yīng)用于時(shí)鐘相位噪聲信號(hào)的PLL響應(yīng)功能的結(jié)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(yīng)用相關(guān)的抖動(dòng)。E5052B對(duì)相位噪聲測(cè)量的實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析功能可加快您的設(shè)計(jì)進(jìn)程。 E5052B SSA可以導(dǎo)入任何PLL響應(yīng)函數(shù)，使您可以輕松快速地仿真設(shè)備到設(shè)備的PLL響應(yīng)。

　　圖9.仿真PLL響應(yīng)

　　總結(jié)

　　對(duì)于高速串行數(shù)據(jù)應(yīng)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(duì)系統(tǒng)比特誤碼率的影響。最精確的方法是對(duì)時(shí)鐘應(yīng)用發(fā)射機(jī)(和接收機(jī))在最壞情況下的傳遞函數(shù)，并測(cè)量獲得的時(shí)鐘RJ和PJ。在E5052B上運(yùn)行的E5001A精確時(shí)鐘抖動(dòng)分析軟件改變了傳統(tǒng)的抖動(dòng)測(cè)量方式，它不僅能以飛秒級(jí)分辨率對(duì)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(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程。