JESD204B發(fā)射器的三個關(guān)鍵物理層性能指標(biāo)

隨著JESD204接口更多地被數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所采用，急需對其性能加以重視，并優(yōu)化數(shù)字接口。重點不應(yīng)只放在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能上。該標(biāo)準(zhǔn)的最初兩個版本，即2006年發(fā)布的JESD204和2008年發(fā)布的JESD204A，其額定數(shù)據(jù)速率為3.125 Gbps。最新的版本為2011年發(fā)布的JESD204B，列出了3個速度等級，最大數(shù)據(jù)速率為12.5 Gbps。這三個速度等級遵循三個不同的電氣接口規(guī)范，由光互連論壇(OIF)定義。OIF-Sx5-01.0針對最高3.125 Gbps的數(shù)據(jù)速率，詳細(xì)定義了電氣接口規(guī)范；CEI-6G-SR和CEI-11G-SR則分別對應(yīng)最高6.375 Gbps和12.5 Gbps的數(shù)據(jù)速率，并詳細(xì)定義了接口規(guī)范。高速數(shù)據(jù)速率需要更為謹(jǐn)慎地從設(shè)計與性能方面考慮高速CML驅(qū)動器、接收器和互連網(wǎng)絡(luò)，這些器件構(gòu)成JESD204B接口的物理層(PHY)。

若要評估JESD204B發(fā)射器的PHY性能，則需評估一些性能指標(biāo)。這些指標(biāo)包括共模電壓、差分峰峰值電壓、差分阻抗、差分輸出回?fù)p、共模回?fù)p、發(fā)射器短路電流、眼圖模板和抖動。

本文將討論三個關(guān)鍵的性能指標(biāo)。這些指標(biāo)通常用于評估發(fā)射器信號質(zhì)量、眼圖、浴盆圖和直方圖。由于信號必須在接收器端被正確解碼，這些測量亦在接收器端完成。眼圖覆蓋輸出數(shù)據(jù)傳送的多路采集路徑以生成曲線，以多種參數(shù)表示鏈路質(zhì)量。可通過該曲線觀察JESD204B物理接口的許多特性，如阻抗不連續(xù)和不當(dāng)端接。這僅是評估物理層的一種方法。浴盆圖和直方圖是可用來評估JESD204B鏈路質(zhì)量的另外兩種重要性能指標(biāo)。測量單位間隔(UI)時，浴盆圖可直觀地表示針對給定眼圖開口寬度的比特誤差率(BER)。單位間隔是JESD204B物理層規(guī)范中指定的時間，表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔。第三個測量數(shù)據(jù)是直方圖，表示被測UI值變化的分布。該測量數(shù)據(jù)還可表示被測信號的抖動量。直方圖、眼圖和浴盆圖可用于表示JESD204B接口物理層的整體性能。本例采用輸出數(shù)據(jù)速率為5.0Gbps的JESD204B發(fā)射器。該數(shù)據(jù)速率下發(fā)射器的性能由OIF CEI-6G-SR規(guī)范詳細(xì)定義。

眼圖
圖1表示5.0Gbps數(shù)據(jù)速率的JESD204B發(fā)射器眼圖。理想波形與測量波形相疊加。理想情況下，傳輸應(yīng)在無過沖或欠沖的情況下瞬間完成，不產(chǎn)生任何振鈴。此外，決定UI的交叉點應(yīng)當(dāng)不存在抖動。如圖1所示，由于信號在非理想介質(zhì)中傳輸，存在損耗與不完全匹配的端接，因此在實際系統(tǒng)中不可能獲得理想波形。該眼圖在JESD204B系統(tǒng)的接收器端測得。在到達(dá)測量點之前，信號通過連接器、經(jīng)長度約為20cm的差分傳輸線傳輸。這幅眼圖表示發(fā)射器和接收器之間的阻抗匹配較為合理，傳輸介質(zhì)良好且無較大的阻抗不連續(xù)產(chǎn)生。它確實存在一定的抖動，但不超過JESD204接口規(guī)范中的定義。該眼圖未發(fā)現(xiàn)任何過沖，但由于減緩信號在傳輸介質(zhì)中的傳輸，上升沿存在微量欠沖。這在信號通過連接器和20cm差分傳輸線之后是可以預(yù)期的。當(dāng)信號存在少量抖動時，UI平均值似乎與大致為200ps的預(yù)期UI值相匹配?？傊?，該眼圖表示傳輸至接收器的信號良好，因此，理應(yīng)不存在恢復(fù)內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)時鐘和正確解碼數(shù)據(jù)的問題。

除端接阻抗不正確之外，圖2所示眼圖的傳輸介質(zhì)與圖1中所使用的相同。其造成的影響可從交點處以及非轉(zhuǎn)換區(qū)域的信號抖動量增加看出。許多采集的數(shù)據(jù)中存在整體幅度壓縮，造成眼圖開始閉合。這種信號惡化將使得接收器的BER增加；若眼圖的閉合程度超過接收器的容差，則可能導(dǎo)致接收器端的JESD204B鏈路丟失。

圖3中的眼圖表示另一種非理想數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。該情況下，在發(fā)射器和接收器中間某點上顯示存在阻抗不連續(xù)(本例中為示波器)。由圖中可看出性能的惡化：眼圖開口趨向閉合，表示轉(zhuǎn)換點內(nèi)部區(qū)域正逐漸變小。數(shù)據(jù)上升沿和下降沿由于傳輸線上的阻抗不連續(xù)而嚴(yán)重惡化。阻抗不連續(xù)還會造成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換點的抖動量增加。一旦眼圖閉合超過接收器解碼數(shù)據(jù)流的能力極限，則數(shù)據(jù)鏈路丟失。圖3這種情況下，許多接收器將可能無法解碼數(shù)據(jù)流。

浴盆圖
除了眼圖，浴盆圖也可提供JESD204B鏈路上串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠杏眯畔?。浴盆圖測量的是BER(比特誤差率)，隨著眼圖的時間推移，它是采樣點的函數(shù)。浴盆圖通過使采樣點在眼圖內(nèi)移動，并在每個點上測量BER所得。如圖4所示，采樣點越靠近眼圖中心，BER越低。隨著采樣點向眼圖的轉(zhuǎn)換點移動，BER也隨之增加。給定BER情況下，浴盆圖兩條斜線之間的距離便是特定BER的眼圖開口區(qū)域(本例中為10-12)。

浴盆圖還可提供信號中抖動(Tj)成分的信息。如圖5所示，當(dāng)測量點接近或等于轉(zhuǎn)換點時，抖動相對平坦，且主要屬于確定性抖動。和眼圖測量一樣，浴盆圖的測量基于JESD204B 5.0 Gbps發(fā)射器，信號通過連接器以及約為20 cm的傳輸線后，對接收器進行測量所得。隨著測量點向眼圖開口中心移動，抖動機制的主要成分變?yōu)殡S機抖動。隨機抖動由大量的運算處理產(chǎn)生，量綱通常極小。典型來源為：熱噪聲、布線寬度的變化、散粒噪聲等。隨機噪聲的PDF(概率密度函數(shù))一般遵循高斯分布。另一方面，少量的運算處理產(chǎn)生的確定性抖動可能具有較大的量綱，并且可能互相關(guān)聯(lián)。確定性抖動的PDF是受限的，并且具有明確定義的峰峰值。它的形狀可能會改變，且通常不服從高斯分布。

圖4中討論的浴盆圖其展開圖形見圖6。在5.0 Gbps串行數(shù)據(jù)傳輸以及BER為10-12情況下，該圖表示接收器端眼圖開口約為0.6 UI(單位間隔)。特別需要注意的是，類似圖6：5.0Gbps浴盆圖。

圖中所示的浴盆圖采用的是外推測量。用于捕捉數(shù)據(jù)的示波器根據(jù)一系列測量結(jié)果，經(jīng)外推得到浴盆圖。若需使用BERT(比特誤差率測試儀)并獲取足夠的測量數(shù)據(jù)以建立浴盆圖，則可能需耗時數(shù)小時以致數(shù)天，哪怕采用最新的高速運算測量設(shè)備。

和眼圖一樣，系統(tǒng)中不當(dāng)端接或阻抗不連續(xù)可通過浴盆圖發(fā)現(xiàn)。對比圖6，圖7和圖8中的浴盆圖兩端的斜率都較為平緩。此時，BER在10-12情況下的眼圖開口僅為0.5 UI，比良好情況下的0.6UI低了10%。不當(dāng)端接和阻抗不連續(xù)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生大量隨機抖動。BER為10-12時，浴盆圖兩側(cè)較為平緩的斜率以及收窄的眼圖開口表明系統(tǒng)中有大量隨機抖動。確定性抖動亦有少量上升。浴盆圖邊緣附近的斜率下降再次證明了這點。

圖8：5.0Gbps浴盆圖–阻抗不連續(xù)。

直方圖
第三個有用的測量數(shù)據(jù)是直方圖。該圖表示數(shù)據(jù)傳輸時，所測得的轉(zhuǎn)換點之間的間隔分布。和眼圖和浴盆圖測量一樣，直方圖的測量基于JESD204B 5.0Gbps發(fā)射器，信號通過連接器以及約為20cm的傳輸線后，對接收器進行測量所得。圖9表示5.0Gbps速率時，系統(tǒng)表現(xiàn)相對較好的直方圖。該直方圖表示185ps和210ps間測得的間隔大致符合高斯分布。5.0Gbps信號的預(yù)期間隔為200ps，這表示圖中間隔大致分布在預(yù)期值兩側(cè)的-7.5%至+5%范圍內(nèi)。

如圖10所示，當(dāng)產(chǎn)生不當(dāng)端接時，則分布范圍變得更寬，將在170ps和220ps之間變動。它將使得分布百分比變?yōu)?15%至+10%，是圖9中的兩倍。這些圖形表示信號存在隨機抖動，因為它們具有形似高斯分布的形狀。然而，由于這些圖形并非真正的高斯分布，這表示至少存在少量的確定性抖動。

圖11所示直方圖表示傳輸線上存在阻抗不連續(xù)的情況。該圖形并不類似高斯分布，而是具有第二個較小的波峰。測量周期的平均值也發(fā)生了偏斜。與圖9和圖10中的波形不一樣，該波形的平均值不再是200ps，它偏移至大約204ps。形狀更似雙峰的分布表示系統(tǒng)中存在更多的確定性抖動。這是由于傳輸線路上存在阻抗不連續(xù)，以及由此造成的預(yù)料中的影響。對間隔測量所得數(shù)值雖然不如不當(dāng)端接情況下擴大的多，但范圍卻再次擴大了。該例中的范圍為175ps至215ps，約位于預(yù)測間隔兩側(cè)的-12.5%至+7.5%。雖然范圍不算很大，但再次強調(diào)，其分布本質(zhì)上更接近雙峰分布。

結(jié)束語
JESD204B發(fā)射器的物理層性能可通過一些性能指標(biāo)來評估，這些指標(biāo)包括共模電壓、差分峰峰值電壓、差分阻抗、差分輸出回?fù)p、共?；?fù)p、發(fā)射器短路電流、眼圖模板和抖動。本文討論了可用來評估發(fā)射信號質(zhì)量的三個關(guān)鍵的性能指標(biāo)。眼圖、浴盆圖和直方圖就是用來評估JESD204B鏈路質(zhì)量的三大重要性能指標(biāo)的。不當(dāng)端接和阻抗不連續(xù)等系統(tǒng)問題會嚴(yán)重影響物理層的性能，而這些影響可通過眼圖、浴盆圖和直方圖中顯示出來的圖形退化觀察到。保持良好的設(shè)計實踐，以便正確端接系統(tǒng)，以及避免在傳輸介質(zhì)中產(chǎn)生阻抗不連續(xù)是非常重要的，因為這些問題可對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生明顯的不利影響，從而導(dǎo)致JESD204B的發(fā)射器和接收器之間數(shù)據(jù)鏈路故障。如果使用一定的技術(shù)避免這些問題，就可確保系統(tǒng)的正常工作。

參考文獻：
JEDEC標(biāo)準(zhǔn)：JESD204B（2011年7月）。JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會。www.jedec.org
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