利用頻域時鐘抖動分析加快設(shè)計驗證過程

　　簡介

　　隨著數(shù)據(jù)速率的提高，時鐘抖動分析的需求也在與日俱增。在高速串行數(shù)據(jù)鏈路中，時鐘抖動會影響發(fā)射機、傳輸線和接收機的數(shù)據(jù)抖動。保證時鐘質(zhì)量的測量也在不斷發(fā)展。目前的重點是針對比特誤碼率，在時鐘性能和系統(tǒng)性能之間建立直接聯(lián)系。我們將探討參考時鐘的作用和時鐘抖動對數(shù)據(jù)抖動的影響，并討論在E5052B信號源分析儀(SSA)上運行的Agilent E5001A精確時鐘抖動分析應(yīng)用軟件所配備的全新測量技術(shù)。該應(yīng)用軟件提供了前所未有的強大能力，可以對隨機抖動(RJ)和周期抖動(PJ)分量超低 RJ測量和實時抖動頻譜分析，使您能夠提高設(shè)計質(zhì)量。我們還將對新解決方案的實時測量功能進行討論，這一功能能夠加快設(shè)計驗證過程。

　　參考時鐘在高速串行應(yīng)用中的作用

　　圖1是參考時鐘的主要分量。發(fā)射機通常將一組速率較低的并行信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流。信號經(jīng)過一條包括多個背板和電纜的傳輸通道進行傳送。接收機通常會解釋輸入的串行數(shù)據(jù)，從中分離出時鐘，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明中，參考時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，我們必須承認參考時鐘是一種主要分量。通常，參考時鐘的振蕩速率遠遠低于數(shù)據(jù)速率，但它會在發(fā)射機中成倍增長。發(fā)射機使用參考時鐘來確定串行數(shù)據(jù)流中的邏輯變換定時。發(fā)射的數(shù)據(jù)中包括參考時鐘的特征。在接收機中可能會出現(xiàn)兩種不同的情況。如果未分配參考時鐘，則接收機會利用鎖相環(huán)(PLL)從數(shù)據(jù)流中還原時鐘――并利用該時鐘定位采樣時間點。如果已分配參考時鐘，則接收機會同時使用數(shù)據(jù)信號和參考時鐘來定位采樣點。

　　圖1.參考時鐘的作用

　　時鐘抖動對發(fā)射機數(shù)據(jù)抖動的影響

　　參考時鐘是最終的系統(tǒng)定時源。它為發(fā)射機、已分配和未分配的時鐘系統(tǒng)提供時基，而接收機的時鐘恢復(fù)電路可以重現(xiàn)參考時鐘特征?，F(xiàn)在我們將探討時鐘抖動如何在系統(tǒng)發(fā)射機中進行傳輸。

　　發(fā)射機必須用適當(dāng)?shù)囊驍?shù)乘以參考時鐘獲得數(shù)據(jù)速率，才能確定邏輯變換定時。例如，對于100 MHz參考時鐘和5 Gb/s輸出信號，發(fā)射機將用PLL給參考時鐘乘以因數(shù)50。PLL乘法器不僅放大時鐘抖動，還引入其自身的抖動，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，所以抖動迅速變大。

　　圖2.發(fā)射機時鐘抖動的結(jié)果

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　　發(fā)射機中的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)會產(chǎn)生一個值得注意的問題：時鐘抖動實際上有什么影響?如果PLL非常出色且?guī)挒榱?，那么它將過濾掉所有的時鐘抖動，而為發(fā)射機提供無抖動時基。當(dāng)然，零帶寬意味著無限鎖定時間，所以我們不得不綜合考慮，但是PLL帶寬越窄，參考時鐘加入數(shù)據(jù)中的抖動就越小。確定時鐘是否能在系統(tǒng)中正常工作且符合預(yù)期的 BER要求，需要對抖動頻譜進行詳細測試。

　　圖3. PLL頻率響應(yīng)

　　真實的抖動源

　　如果觀察實際環(huán)境中的高速數(shù)字電路，您會發(fā)現(xiàn)許多抖動源，如圖4所示。跟我們前面討論的一樣，時鐘信號通常分配給多個IC，時鐘頻率可能進行乘法和/或除法運算。假設(shè)來自晶體振蕩器的參考時鐘具有較低的抖動，因為IC帶來的附加噪聲或其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾，所以經(jīng)過乘法或除法運算的輸出時鐘也可能不是非常干凈。

　　一個主要污染源就是開關(guān)電源的噪聲。開關(guān)頻率一般為100 kHz到1 MHz。開關(guān)電源噪聲可能會注入時鐘信號線路，它在左下圖中顯示為PJ。

　　其他周期抖動分量的來源可能是數(shù)據(jù)或時鐘線路的干擾，經(jīng)互調(diào)后可能位于時鐘線上，也顯示為PJ分量。只要PJ分量表現(xiàn)的遠離時鐘頻率，它就極有可能插入帶通濾波器(或低通濾波器)來消除這些抖動。然而，問題是周期抖動在什么時間接近時鐘頻率，因為高頻高Q濾波器很難得到。參考時鐘的RJ也一樣，時鐘除法器可能添加寬帶噪聲，這可能會使輸出時鐘信號的RJ增加。

　　要診斷各種問題，設(shè)計人員必須表征有關(guān)電路物理布局和/或工作環(huán)境下的時鐘抖動。

　　圖4.實際環(huán)境中的抖動源

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　　通過相位噪聲測量技術(shù)表征時鐘抖動

　　全面分析時鐘信號要求達到飛秒級精度，只有相位噪聲測量技術(shù)才能達到這種精度。相位噪聲分析提供兩種主要測量：Sψ(fψ)和ψ(t)，它們根據(jù)相位噪聲測量帶寬限制收集時鐘的所有相位信息。

　　在相位噪聲分析儀上分析RJ可以完成兩個重要目標。首先，通過集成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，通過分析Sψ(fψ)的冪級數(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頻率知識對于診斷問題非常有幫助。參考每個PJ頻率的PJ rms也能幫您了解每個PJ分量對總體時鐘抖動的影響，查看去除主要PJ分量之后總體抖動的變化。(圖6)

　　圖5.分析相位噪聲測量的RJ

　　圖6.相位噪聲測量的PJ頻率

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　　通過先進的體系結(jié)構(gòu)進行實時抖動測量

　　與傳統(tǒng)的抖動測量模式不同，帶有 E5001A軟件的E5052B SSA可以對相位噪聲測量進行實時抖動分析。該儀器使用PLL提供參考源。它能夠自動檢測時鐘頻率，在幾毫秒內(nèi)把內(nèi)置參考源自動調(diào)諧為時鐘頻率，測量相位檢波器保持PLL所產(chǎn)生的噪聲信號。它在250 MSa/s ADC上捕獲噪聲信號，從而可以進行100 MHz抖動帶寬測量。該測量涵蓋OC-192抖動分析范圍。實時FFT可以獲得頻域數(shù)據(jù)，并能顯著提高測量速度。例如，1 kHz到100 MHz帶寬的測量每次只需0.3秒。

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

　　利用交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)獲得出色的抖動本底噪聲

　　E5052B抖動測量分辨率和本底噪聲非常低，通常10Gbps速率時的RJ本底噪聲僅為幾飛秒。由于ADC的動態(tài)范圍有限，且其內(nèi)部參考時基的剩余抖動較大，高性能(實時或采樣)示波器的抖動本底噪聲通常在一百飛秒以上。E5052B通過檢測基帶(其中較大的載波信號已刪除)的相位噪聲來保持寬動態(tài)范圍。E5052B利用兩個獨立的內(nèi)部測量通道之間的獨特交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)，將抖動測量極限擴大到低于其內(nèi)部時基的殘余抖動。(參見圖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)獲得的出色抖動本底噪聲

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　　實時仿真PLL響應(yīng)

　　圖9表示直接應(yīng)用于時鐘相位噪聲信號的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。E5052B對相位噪聲測量的實時抖動分析功能可加快您的設(shè)計進程。 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)

　　對于高速串行數(shù)據(jù)應(yīng)用，時鐘抖動分析的主要目的是確定參考時鐘的抖動對系統(tǒng)比特誤碼率的影響。最精確的方法是對時鐘應(yīng)用發(fā)射機(和接收機)在最壞情況下的傳遞函數(shù)，并測量獲得的時鐘RJ和PJ。在E5052B上運行的E5001A精確時鐘抖動分析軟件改變了傳統(tǒng)的抖動測量方式，它不僅能以飛秒級分辨率對時鐘抖動進行全面分析，而且具有出色的易用性和實時抖動分析功能，可以幫助您加快設(shè)計驗證過程。