DVD與高速串行總線抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用

引言

隨著計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)總線速度的顯著提高，特別是各種不同的采用內(nèi)嵌時(shí)鐘技術(shù)的高速串行總線日益普及，定時(shí)抖動(dòng)已經(jīng)成為影響其性能的基本因素;而DVD普遍于國(guó)內(nèi)外伴隨的品質(zhì)控制-抖動(dòng)問(wèn)題又成為廠商與用戶關(guān)注的焦點(diǎn).如何面對(duì)關(guān)系到系統(tǒng)成敗關(guān)鍵的這二個(gè)領(lǐng)域的具有共性的抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)與方法是我們應(yīng)研討重點(diǎn)方案。值此將所采的不同的新型和實(shí)用之測(cè)量技術(shù)作分折介紹。

1、作為新標(biāo)準(zhǔn)的DVD抖動(dòng)測(cè)量方法

1.1使用數(shù)字時(shí)間取樣和處理技術(shù)(TIA)的方法測(cè)量抖動(dòng)

使用數(shù)字處理方法讀取抖動(dòng)值。抖動(dòng)測(cè)量設(shè)備, 例如型號(hào)LEl875(S1版)和LEl870(抖動(dòng)測(cè)量設(shè)備)使用數(shù)字處理方法(即使用和TIA相同的處理方法)以讀取抖動(dòng)值。

由于抖動(dòng)基本上是一種隨機(jī)現(xiàn)象，源于光碟、光頭和驅(qū)動(dòng)器的特性，因此，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算累積的結(jié)果，便能夠以SIGMA(西格碼)形式顯示出標(biāo)準(zhǔn)偏差的條帶圖，見(jiàn)圖1所示。

該條帶圖是由表示抖動(dòng)時(shí)間(周期)的水平軸和表示頻率分布的垂直軸所構(gòu)成的抖動(dòng)圖。

由于抖動(dòng)可以被視為一種標(biāo)準(zhǔn)偏差(即是說(shuō)，數(shù)據(jù)按時(shí)間分布的偏差)，因此可以通過(guò)以下的公式獲得：其中Dn：時(shí)間數(shù)據(jù) Xn：為頻率分布。

1.2、測(cè)量DVD的抖動(dòng)有以下兩種方法：

有All抖動(dòng)測(cè)量方法-按照DVD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格與3T抖動(dòng)測(cè)量方法-測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)的脈沖寬度兩種方法。

*All-T抖動(dòng)測(cè)量

這種方法也叫做“DATA to CLOCK-數(shù)據(jù)到時(shí)鐘”測(cè)量法。DVD光碟上所記錄的8-16調(diào)制的脈沖串(即從3T到11T、14T)。All-T就是測(cè)量該脈沖串的全部上升沿、下降沿，并與一個(gè)鎖相環(huán)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行比較，見(jiàn)圖2所示。

*脈沖寬度Tw測(cè)量

這種方法主要用于測(cè)量CD的抖動(dòng)。CD光碟上所記錄的，是一種8-14調(diào)制(EFM)的脈沖群(即是說(shuō)，3T到11T)。脈沖寬度測(cè)量法就是測(cè)量每一脈脈沖寬度的抖動(dòng)。這種方法亦可以用于測(cè)量DVD，見(jiàn)圖3所示。

1.3、按照DVD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的測(cè)量方法

以下的方框圖(見(jiàn)圖4所示表示符合DVD只讀光碟1.0版規(guī)格的信號(hào)流程(來(lái)自某一光頭)。因?yàn)?都是按照該DVD規(guī)格設(shè)計(jì)的(例如LEl875和LEl870)，所以采用了直接由符合該標(biāo)準(zhǔn)的光頭輸出的HF信號(hào)。其方框圖由高通濾波器、均衡器、低通濾波器、限幅器、鎖相環(huán)等組成，測(cè)量方式為全部邊沿上的抖動(dòng)。該電路只用于DVD重放機(jī)及其光頭檢查系統(tǒng)。

1.4、應(yīng)用舉例-抖動(dòng)分析測(cè)量設(shè)備

1.41有抑制 和設(shè)防功能,特別適合RAM光碟抖動(dòng)的的LE1875抖動(dòng)分析測(cè)量?jī)x

LE 1875(S1版)是Leader先進(jìn)的抖動(dòng)分析測(cè)量設(shè)備儀，它采用了數(shù)字時(shí)間取樣和處理技術(shù)(TIA)，配合一個(gè)全彩色LCD顯示屏，可以提供快速、全面和精確的分析，便于研制、生產(chǎn)、品質(zhì)控制部門(mén)對(duì)DVD、DVD-RAM、CD、CD-R/RW進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。如果選用可變均衡器，更便于通過(guò)直接的信號(hào)檢測(cè)輸入進(jìn)行測(cè)試。

特征：適用于RAM光碟的抖動(dòng)測(cè)試的功能；以信號(hào)輸入模式的脈沖寬度對(duì)DVD的抖動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；輸入放大器的可選帶通濾波器，適用于待測(cè)抖動(dòng)成分的時(shí)間分析和校正。

*時(shí)距分析儀(TIA)可以處理DVD、DVD—RAM、CD和CD—R/RW；條帶圖彩色LCD顯示屏可以清晰地顯示出抖動(dòng)、歷程、RF數(shù)據(jù)幅度、均值Sigma(西格碼)讀數(shù)和時(shí)鐘；可測(cè)抖動(dòng)從3T至11T和14T；抖動(dòng)讀數(shù)以百分率(%)時(shí)鐘頻率和Sigma顯示；可測(cè)量在上升沿、下降沿以及兩種數(shù)據(jù)邊緣；可響應(yīng)雙倍速度；長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量Sigma和平均值讀數(shù)對(duì)時(shí)間的變化；高靈敏度-讀數(shù)可精確到在50mV或更高；可選50Ω/10MΩ/輸入阻抗使得可以使用10：1的探頭，以減少電路的負(fù)載；合格/不合格判斷預(yù)設(shè)輸入；容易設(shè)定和儲(chǔ)存；自動(dòng)限幅器符合DVD規(guī)格；出現(xiàn)跳隙等故障時(shí)，可設(shè)定延遲時(shí)間，抑制輸入，暫時(shí)中止測(cè)試；為RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。

1.42 TIA高速、高精度抖動(dòng)測(cè)量的LE 1870抖動(dòng)分析儀

設(shè)計(jì)LE 1870抖動(dòng)儀的目的是為了測(cè)量符合DVD規(guī)格的DVD EFM PLUS時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)。此儀器可對(duì)CD和DVD信號(hào)進(jìn)行3T窄脈沖信號(hào)抖動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。LE 1870采用TIA數(shù)字處理方法，實(shí)現(xiàn)了高速、高精度抖動(dòng)測(cè)量。較大的刻度盤(pán)和數(shù)字顯示使LE 1870特別適合于研制工作，生產(chǎn)部門(mén)和檢查部門(mén)。配合選件，此儀器還可對(duì)CD-R/RW進(jìn)行雙相位信號(hào)抖動(dòng)測(cè)量，故擁有LE 1870， 便可測(cè)量DVD，CD，CD-R/RW。

特征

*DVD測(cè)量；利用數(shù)字工作系統(tǒng)進(jìn)行高速和準(zhǔn)確的測(cè)量,LE 1870采用TIA同樣的數(shù)字處理系統(tǒng)，提供更高速和更準(zhǔn)確的測(cè)量；LE 1870可測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)中的3T至11T和14T抖動(dòng)，并以sigma的形式顯示，同時(shí)亦可進(jìn)行3T窄脈沖的抖動(dòng)測(cè)量；抖動(dòng)值以%和SIGMA的形式顯示,抖動(dòng)值的顯示可以選擇以對(duì)應(yīng)CLOCK信號(hào)的百分比計(jì)算單位，亦可以選擇SIGMA的形式絕對(duì)值表示抖動(dòng)。用百分比顯示時(shí)，儀器的自動(dòng)操作電路可以使精確度達(dá)到數(shù)據(jù)信號(hào)波動(dòng)的10%內(nèi)；抖動(dòng)測(cè)量有三種極性,即抖動(dòng)的測(cè)量可以在數(shù)據(jù)信號(hào)的上升沿、下降沿以及兩個(gè)邊沿上進(jìn)行，測(cè)量模式有signal-signal測(cè)量和two-signal測(cè)量?jī)煞N；響應(yīng)速度可達(dá)到兩倍,可以測(cè)量RF(數(shù)據(jù))信號(hào)和再生的CLOCK信號(hào)之間的抖動(dòng)，并以SIGMA值顯示。

*一般功能

高靈敏的測(cè)量,可測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)的振幅可以超過(guò)50mVp-p；輸入阻抗可以任意選擇50Ω或者1MΩ；同時(shí)測(cè)量抖動(dòng)和RF信號(hào)電平，數(shù)據(jù)信號(hào)的峰值電平(p-p)由數(shù)字顯示；模擬顯示易于調(diào)節(jié)，數(shù)字顯示減少視差，LE1870兼有大型的模擬顯示刻度盤(pán)和較大的發(fā)光二極管數(shù)字顯示。抖動(dòng)測(cè)量的結(jié)果既可以選擇模擬顯示，亦可以選擇數(shù)字顯示；測(cè)量抑制，配備插座。當(dāng)光碟重放發(fā)生類似彈跳的故障時(shí)，這種輸入控制功能抑制抖動(dòng)的測(cè)量；各種監(jiān)視器輸出,具有數(shù)據(jù)信號(hào)監(jiān)視器的功能，其直流輸出與抖動(dòng)、電平指示成正比;內(nèi)置自動(dòng)限幅功能，內(nèi)置的自動(dòng)限幅功能符合DVD規(guī)格。

*生產(chǎn)線上的應(yīng)用

合格/不合格判斷功能方便在線測(cè)量,合格/不合格判斷功能是在對(duì)比設(shè)定值和測(cè)量值的基礎(chǔ)上建立，利用LED指示并被輸出；遙控功能，抖動(dòng)測(cè)量和其他面板功能可以遙控實(shí)現(xiàn)。

*其余用途

可以測(cè)量CD-R/RW的每一抖動(dòng)，最高可達(dá)*32倍速度；對(duì)于CD-R/RW，可以測(cè)量雙相位信號(hào)的1T抖動(dòng);符合DVD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的均衡器，進(jìn)行精確的測(cè)量通過(guò)選購(gòu)的RF均衡器可以直接檢測(cè)生產(chǎn)線上發(fā)射的待測(cè)信號(hào)。

2、高速串行總線抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)

2.1問(wèn)題的引來(lái)

越來(lái)越多的高速計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)開(kāi)始采用高速串行總線在芯片間，背板間和系統(tǒng)設(shè)備間傳送高速數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，任何微小的高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，在這種情況下，抖動(dòng)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)高速數(shù)字系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。最典型的是傳統(tǒng)的33M PCI并行總線正在被采用高速串行技術(shù)的PCI-Express取代，而它的最新標(biāo)準(zhǔn)支持的數(shù)據(jù)率已經(jīng)到5Gb/S，一個(gè)U1的寬度僅200ps，任何微小的抖動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤.從當(dāng)前各種高速串行總線和數(shù)據(jù)鏈路的定時(shí)余量規(guī)范中表明，在數(shù)字系統(tǒng)中嚴(yán)格地控制抖動(dòng)是必須的。只有全面有效的測(cè)試和分析抖動(dòng)，其根本原因才能被隔離，從而針對(duì)引起系統(tǒng)抖動(dòng)的原因來(lái)減少抖動(dòng)，提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。如PCI-Express、FBD、InfiniBand、SerialATA和DVI等高速總線都對(duì)于時(shí)鐘，數(shù)據(jù)抖動(dòng)有明確要求。

2.2示波器進(jìn)行的實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試方法不失為實(shí)用可靠之方法。

針對(duì)高速串行總線抖動(dòng)可用示波器進(jìn)行的實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試方法并探討影響抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果的關(guān)鍵因素。

2.21典型的抖動(dòng)測(cè)試方法

*在了解抖動(dòng)測(cè)試前，明智選擇合適的抖動(dòng)測(cè)試工具和方法成為整個(gè)抖動(dòng)測(cè)試工作的首先。

為成功地設(shè)計(jì)高速數(shù)字系統(tǒng)，不僅需要理解什么是抖動(dòng)，計(jì)算抖動(dòng)的大小，還需要對(duì)不同的抖動(dòng)分量進(jìn)行隔離和分解，分析造成抖動(dòng)的原因，進(jìn)而避免在高速系統(tǒng)中出現(xiàn)抖動(dòng)造成的系統(tǒng)故障。在了解抖動(dòng)測(cè)試前，首先必須選擇合適的抖動(dòng)測(cè)試工具和方法。

2.22高性能數(shù)字示波器配備高速采集內(nèi)存成為最流行的抖動(dòng)測(cè)試工具。

這是因?yàn)槟壳坝袔追N抖動(dòng)測(cè)試工具可供選擇，誤碼儀(BERT)直接測(cè)試系統(tǒng)的誤碼率，但是價(jià)位昂貴，功能單一，并不適合設(shè)計(jì)人員和調(diào)試人員；采用時(shí)間間隔分析儀測(cè)試抖動(dòng)也存在功能單一，抖動(dòng)分析能力不足的限制。

對(duì)于數(shù)字示波器而言，典型的抖動(dòng)測(cè)試方法主要有2種：

*即采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的等效采樣模式或直接使用采樣示波器，通過(guò)直方圖統(tǒng)計(jì)測(cè)量累計(jì)定時(shí)抖動(dòng).等效采樣的缺點(diǎn)是無(wú)法消除示波器自身的觸發(fā)抖動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并且由于它采用的是多次觸發(fā)，多次采集，累計(jì)顯示的工作方式，對(duì)于電路設(shè)計(jì)和調(diào)試而言受到較多的限制，無(wú)法進(jìn)行深層的抖動(dòng)分析。另一個(gè)限制是該方法抖動(dòng)測(cè)試參數(shù)有限，例如不能測(cè)試周期間抖動(dòng)。

*更為流行的方法是采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的實(shí)時(shí)捕獲模式，單次．分析和抖動(dòng)分解得到每一個(gè)抖動(dòng)分量，幫助設(shè)計(jì)和測(cè)試人員分析抖動(dòng)產(chǎn)生的原因，甚至通過(guò)抖動(dòng)分解估算系統(tǒng)的誤碼率。例如，在有關(guān)抖動(dòng)和信號(hào)完整性方法論用泰克實(shí)時(shí)示波器配合TDSJIT3抖動(dòng)分析軟件進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試和分析。圖5是TDSJIT3實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果。

2.3抖動(dòng)測(cè)試

抖動(dòng)可以描述為相鄰脈：中邊沿、甚至非相鄰脈；中邊沿周期或相位的定時(shí)變化。這些指標(biāo)適合檢定長(zhǎng)期和短期的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。通過(guò)更加深入地分析抖動(dòng)指標(biāo)，利用抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果，預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

周期抖動(dòng)用來(lái)衡量時(shí)鐘或數(shù)據(jù)周期樣點(diǎn)的邊沿到邊沿定時(shí)。例如，通過(guò)測(cè)量1000個(gè)時(shí)鐘周期上升沿之間的時(shí)間，可以對(duì)統(tǒng)計(jì)的周期取樣，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)告訴您信號(hào)的質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)偏差等價(jià)于日MS周期抖動(dòng)，最大周期減去最小周期，得到峰到峰周期抖動(dòng)。每個(gè)不同周期測(cè)量的精度決定著抖動(dòng)測(cè)量的精度。

相位抖動(dòng)用來(lái)衡量被測(cè)信號(hào)邊沿相對(duì)于一個(gè)參考信號(hào)邊沿的時(shí)間偏差，從而可以檢測(cè)到信號(hào)相位中的任何變化。這一指標(biāo)在許多方面不同于周期測(cè)量指標(biāo)。第一，它單獨(dú)使用每個(gè)邊沿，而沒(méi)有使用“period”周期測(cè)量，它可以測(cè)量大的時(shí)間位移。邊沿相位可以偏離幾百或幾千度，但仍可以以非常高的精度進(jìn)行測(cè)量 (360度等于一個(gè)周期或循環(huán)時(shí)間)。測(cè)量相位誤差常用的指標(biāo)是時(shí)間間隔誤差(TIE)，測(cè)量結(jié)果用相對(duì)于度的秒來(lái)表示。TIE把信號(hào)邊沿與參考邊沿匹配起來(lái)，對(duì)各邊沿之差相加計(jì)算總和。在比較了大量的邊沿之后，可以為分析提供一個(gè)樣點(diǎn)集合。與上面的周期測(cè)量一樣，標(biāo)準(zhǔn)偏差變成日MST TIE，最大時(shí)間減最小時(shí)間得到峰到峰值(peak-to-peak)TIE等等。TIE測(cè)試精度取決于構(gòu)成樣點(diǎn)集合的各個(gè)測(cè)量的精度。圖6顯示的是對(duì)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的不同抖動(dòng)測(cè)試參數(shù)。

2.4測(cè)試精度

任何設(shè)計(jì)人員選擇示波器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量前都會(huì)通過(guò)產(chǎn)品的指標(biāo)了解其測(cè)試精度，以保證足夠的容許誤差和測(cè)量余量，抖動(dòng)測(cè)試也不例外。抖動(dòng)測(cè)試精度受到許多因素的影響，主要包括示波器的定時(shí)穩(wěn)定度、取樣噪聲、儀器幅度本底噪聲和內(nèi)插誤差。

內(nèi)插誤差是由在實(shí)際電壓樣點(diǎn)之間進(jìn)行線性內(nèi)插導(dǎo)致的誤差。在測(cè)量100ps上升時(shí)間的信號(hào)、示波器以20GSa/s采樣率在50%電壓門(mén)限上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，這一誤差要小于0.3ps RMS。在許多情況下這一誤差可以使用示波器中的Sin(X)/X正弦內(nèi)插及其它方法改善，例如充分利用示波器的垂直動(dòng)態(tài)范圍，使輸入信號(hào)幅度達(dá)到示波器滿刻度。在大多數(shù)情況下，這一原因?qū)е碌恼`差會(huì)遠(yuǎn)小于其它誤差源，并且通過(guò)使用如Sin(X)/X內(nèi)插，可以進(jìn)一步減小這一誤差。

示波器采樣系統(tǒng)中定時(shí)元件的穩(wěn)定性直接影響著定時(shí)測(cè)量精度。如果時(shí)基有誤差，那么基于該時(shí)基進(jìn)行的測(cè)量會(huì)具有同等或更大的誤差。示波器中的時(shí)基穩(wěn)定性包括參考時(shí)鐘、倍頻器、計(jì)數(shù)器等相關(guān)電路的穩(wěn)定性。

3、結(jié)束語(yǔ)

上述針對(duì)當(dāng)前DVD與高速串行總線二種不同領(lǐng)域的抖動(dòng)測(cè)試技術(shù)與和方法及測(cè)試實(shí)例作重點(diǎn)介紹。這僅是基本理念，具體如何測(cè)量與分析要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合與精度來(lái)選定與運(yùn)作。