10G信號抖動測量的檢定分析

　　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(shí)，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(shí)，Tj結(jié)果需遠(yuǎn)小于100ps，而Rj (隨機(jī)抖動)更是以飛秒(fs)為單位。有什么技術(shù)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(shè)計(jì)遭遇到較以往更大的挑戰(zhàn)。很多最新標(biāo)準(zhǔn)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(gè)數(shù)量級的誤碼率也越來越難。最終，這就意味著設(shè)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(shí)分析

　　所有采用電壓變換來體現(xiàn)定時(shí)情況的電氣系統(tǒng)，都伴有討厭的定時(shí)抖動。當(dāng)信號速率不斷提高、電壓擺動縮小以降低功耗時(shí)，系統(tǒng)的抖動在信號發(fā)送間隔占到相當(dāng)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(yùn)用符合性能要求的高速第三代(Gen 3)系統(tǒng)至關(guān)重要。如圖1所示，每個(gè)時(shí)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(guān)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(gè)時(shí)鐘上，邊沿的定時(shí)位置(如果有的話)有助于時(shí)鐘/數(shù)據(jù)延時(shí)統(tǒng)計(jì)分布。這種位移即抖動或時(shí)間間隔誤差(TIE)。

　　TIE抖動是相對已知或已恢復(fù)時(shí)鐘測量出的信號定時(shí)誤差。在串行數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，TIE通常被稱為抖動。TIE很重要，因?yàn)槠渖踔聊茱@示一段時(shí)間內(nèi)少量抖動的累積效應(yīng)。以圖2為例，每毫微秒時(shí)鐘邊沿的TIE標(biāo)準(zhǔn)偏差是9.6ps。

　　圖1: 串行數(shù)據(jù)中的抖動，每個(gè)時(shí)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(guān)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(gè)沿到另一相似沿的重復(fù)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(nèi)存)，同時(shí)利用上升沿和下降沿來記時(shí)數(shù)據(jù)比特，這時(shí)測量周期僅為半個(gè)周期。在采集周期測量值的有效樣值后，可分辨標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值。該統(tǒng)計(jì)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(yīng)用簡單算法計(jì)算剛剛獲取的周期測量值。如果已知兩個(gè)相鄰周期的定時(shí)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(jìn)行有效采樣，并測量周期間的差值后，即可得出標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值。統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(jié)構(gòu)。雖然也有分析抖動的其他方法，但這種方法是T11 FC-MJSQ所認(rèn)可，且目前最為常用的，因?yàn)樗苯语@示與BER性能相關(guān)的分量。

　　圖3: 按抖動類型進(jìn)行的抖動分析

　　在這種分級結(jié)構(gòu)中，首先將總抖動分為兩類：隨機(jī)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(shí)也稱正弦波抖動或Sj )、占空比抖動(DCD)以及數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(DDj，也稱符號間干擾ISI)。有時(shí)也會加入另外一個(gè)類別，即有界不相關(guān)抖動BUj。

　　如果要測量在高信號速率時(shí)構(gòu)成Tj的各分量，應(yīng)采用本底噪聲低、頻率響應(yīng)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(shí)，需采用系統(tǒng)抖動200fs RMS而且?guī)捿^寬的儀器。芯片設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)幾個(gè)ps的信號移位，甚至是在fs范圍內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)參數(shù)較為模糊，或者在分析抖動時(shí)采用了不同的基本原理。標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)意見來幫助確定在特定應(yīng)用時(shí)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(shí)有不同的優(yōu)勢。