10G信號抖動測量的檢定分析方法

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，UI為1000 ps;5Gbps縮短為200ps;10Gbps則為100ps。對于100ps的有效數(shù)據(jù)窗，在系統(tǒng)沒有連貫而可靠地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)之前，只能容忍很小的Tj (總抖動)。以上述速度傳輸時，Tj結果需遠小于100ps，而Rj (隨機抖動)更是以飛秒(fs)為單位。有什么技術和工具能用來檢定這些飛秒系統(tǒng)呢?

　　基本上，隨著速度的提升，高速I/O設計遭遇到較以往更大的挑戰(zhàn)。很多最新標準要求物理層的比特誤碼率為10–12。然而，隨著UI逐漸縮小，要想保持這個數(shù)量級的誤碼率也越來越難。最終，這就意味著設備級抖動要繼續(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。

　　定時分析

　　所有采用電壓變換來體現(xiàn)定時情況的電氣系統(tǒng)，都伴有討厭的定時抖動。當信號速率不斷提高、電壓擺動縮小以降低功耗時，系統(tǒng)的抖動在信號發(fā)送間隔占到相當大的比重。這種情況下，抖動成為基本的性能限制。是否具有抖動檢定能力，對成功運用符合性能要求的高速第三代(Gen 3)系統(tǒng)至關重要。如圖1所示，每個時鐘的數(shù)據(jù)級、上升沿和下降沿都在D處表示出來。數(shù)據(jù)鎖存是數(shù)據(jù)通信的關鍵環(huán)節(jié)，無論在何種工具(示波器或軟件仿真系統(tǒng))上，都以眼圖形式顯示。在每個時鐘上，邊沿的定時位置(如果有的話)有助于時鐘/數(shù)據(jù)延時統(tǒng)計分布。這種位移即抖動或時間間隔誤差(TIE)。

　　TIE抖動是相對已知或已恢復時鐘測量出的信號定時誤差。在串行數(shù)據(jù)的應用中，TIE通常被稱為抖動。TIE很重要，因為其甚至能顯示一段時間內少量抖動的累積效應。以圖2為例，每毫微秒時鐘邊沿的TIE標準偏差是9.6ps。

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

　　圖2: TIE抖動測量有其他方法測量單波形抖動，包括周期性抖動和cycle-to-cycle抖動。

　　然而，測量信號波形上抖動的方法還包括測量周期抖動(period jitter)和相鄰周期間抖動(cycle-to-cycle jitter)。周期抖動是對信號的測量，通常針對從一個沿到另一相似沿的重復信號。常見的周期測量工具，會測量某一信號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內存)，同時利用上升沿和下降沿來記時數(shù)據(jù)比特，這時測量周期僅為半個周期。在采集周期測量值的有效樣值后，可分辨標準偏差和峰值。該統(tǒng)計數(shù)據(jù)即信號中的周期性抖動。

　　對于相鄰周期間抖動，通過應用簡單算法計算剛剛獲取的周期測量值。如果已知兩個相鄰周期的定時信息，其差值便是相鄰周期間變化：周期1減去周期2。此外，對周期進行有效采樣，并測量周期間的差值后，即可得出標準偏差和峰值。統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)即相鄰周期間抖動。

　　抖動分量

　　將抖動按組成進行拆分，可提高精度并看清BER性能的根源。最常用的抖動模型基于圖3所示的分級結構。雖然也有分析抖動的其他方法，但這種方法是T11 FC-MJSQ所認可，且目前最為常用的，因為它直接顯示與BER性能相關的分量。

　　圖3: 按抖動類型進行的抖動分析

　　在這種分級結構中，首先將總抖動分為兩類：隨機抖動和確定性抖動(Dj)，然后再將確定性抖動分為若干類：周期抖動(Pj，有時也稱正弦波抖動或Sj )、占空比抖動(DCD)以及數(shù)據(jù)相關抖動(DDj，也稱符號間干擾ISI)。有時也會加入另外一個類別，即有界不相關抖動BUj。

　　如果要測量在高信號速率時構成Tj的各分量，應采用本底噪聲低、頻率響應平穩(wěn)、抖動測量底限低和觸發(fā)抖動小的儀器。例如，ON Semiconductor發(fā)現(xiàn)在檢定其高速ECL器件時，需采用系統(tǒng)抖動200fs RMS而且?guī)捿^寬的儀器。芯片設計者發(fā)現(xiàn)幾個ps的信號移位，甚至是在fs范圍內的移位，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)串行通信標準都對抖動容差或抖動限值做出規(guī)定，但其中所采用的技術參數(shù)較為模糊，或者在分析抖動時采用了不同的基本原理。標準文件傾向于概述可量化的抖動限值，但并沒有提出多少指導意見來幫助確定在特定應用時哪一種限值更為重要。各種形式的抖動都有可能干擾系統(tǒng)BER，不同的工具在檢測抖動時有不同的優(yōu)勢。