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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(duì)于100ps的有效數(shù)據(jù)窗，在系統(tǒng)沒(méi)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(dòng))。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(dòng))更是以飛秒(fs)為單位。有什么技術(shù)和工具能用來(lái)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(jí)的誤碼率也越來(lái)越難。最終，這就意味著設(shè)備級(jí)抖動(dòng)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(lái)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(dòng)。當(dāng)信號(hào)速率不斷提高、電壓擺動(dòng)縮小以降低功耗時(shí)，系統(tǒng)的抖動(dòng)在信號(hào)發(fā)送間隔占到相當(dāng)大的比重。這種情況下，抖動(dòng)成為基本的性能限制。是否具有抖動(dòng)檢定能力，對(duì)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(jí)、上升沿和下降沿都在D處表示出來(lái)。數(shù)據(jù)鎖存是數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無(wú)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(dòng)或時(shí)間間隔誤差(TIE)。
TIE抖動(dòng)是相對(duì)已知或已恢復(fù)時(shí)鐘測(cè)量出的信號(hào)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(dòng)。TIE很重要，因?yàn)槠渖踔聊茱@示一段時(shí)間內(nèi)少量抖動(dòng)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(dòng)，每個(gè)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)級(jí)、上升沿和下降沿都在D處表示出來(lái)。
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(dòng)測(cè)量有其他方法測(cè)量單波形抖動(dòng)，包括周期性抖動(dòng)和cycle-to-cycle抖動(dòng)。
然而，測(cè)量信號(hào)波形上抖動(dòng)的方法還包括測(cè)量周期抖動(dòng)(period jitter)和相鄰周期間抖動(dòng)(cycle-to-cycle jitter)。周期抖動(dòng)是對(duì)信號(hào)的測(cè)量，通常針對(duì)從一個(gè)沿到另一相似沿的重復(fù)信號(hào)。常見的周期測(cè)量工具，會(huì)測(cè)量某一信號(hào)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(lái)記時(shí)數(shù)據(jù)比特，這時(shí)測(cè)量周期僅為半個(gè)周期。在采集周期測(cè)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(hào)中的周期性抖動(dòng)。
對(duì)于相鄰周期間抖動(dòng)，通過(guò)應(yīng)用簡(jiǎn)單算法計(jì)算剛剛獲取的周期測(cè)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(duì)周期進(jìn)行有效采樣，并測(cè)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(dòng)。
抖動(dòng)分量
將抖動(dòng)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(dòng)模型基于圖3所示的分級(jí)結(jié)構(gòu)。雖然也有分析抖動(dòng)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(dòng)類型進(jìn)行的抖動(dòng)分析
在這種分級(jí)結(jié)構(gòu)中，首先將總抖動(dòng)分為兩類：隨機(jī)抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)(Dj)，然后再將確定性抖動(dòng)分為若干類：周期抖動(dòng)(Pj，有時(shí)也稱正弦波抖動(dòng)或Sj )、占空比抖動(dòng)(DCD)以及數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)(DDj，也稱符號(hào)間干擾ISI)。有時(shí)也會(huì)加入另外一個(gè)類別，即有界不相關(guān)抖動(dòng)BUj。
如果要測(cè)量在高信號(hào)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(dòng)測(cè)量底限低和觸發(fā)抖動(dòng)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(dòng)<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(hào)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(duì)抖動(dòng)容差或抖動(dòng)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(dòng)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(dòng)限值，但并沒(méi)有提出多少指導(dǎo)意見來(lái)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(dòng)都有可能干擾系統(tǒng)BER，不同的工具在檢測(cè)抖動(dòng)時(shí)有不同的優(yōu)勢(shì)。
解決具有挑戰(zhàn)性的抖動(dòng)測(cè)量問(wèn)題
最常見的抖動(dòng)捕捉分析儀器是實(shí)時(shí)示波器。現(xiàn)代數(shù)字化儀表緊緊跟隨逐漸提升的數(shù)據(jù)率步伐，可配置對(duì)抖動(dòng)及其分量進(jìn)行詳細(xì)分析的集成應(yīng)用軟件。不過(guò)，選擇范圍并不局限于DSA和DPO。其他完全不同的工具也有自己的優(yōu)勢(shì)，其測(cè)量能力會(huì)出現(xiàn)部分重疊。這些工具包括誤碼率測(cè)試儀(BERT)、抖動(dòng)分析儀、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和頻譜分析儀。
實(shí)時(shí)示波器是電子研發(fā)和設(shè)計(jì)中最常用的測(cè)量工具之一，因此當(dāng)需要分析研究抖動(dòng)問(wèn)題時(shí)，它很可能成為第一道“防線”。DSA/DPO可在其帶寬和分辨率范圍內(nèi)進(jìn)行幾乎所有類型的抖動(dòng)測(cè)量。
DSA/DPO具有抖動(dòng)測(cè)量多功能性的原因在于：它可在多個(gè)DUT工作周期內(nèi)捕捉很長(zhǎng)的時(shí)間窗。由于示波器的采樣存儲(chǔ)器中保存著過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間波形活動(dòng)的歷史記錄，因此我們能對(duì)隨著上升時(shí)間、脈沖寬度和各種抖動(dòng)變化而變化的屬性進(jìn)行研究。
能處理10Gbps數(shù)據(jù)率的高端示波器的適用特性如下：
* 20 GHz帶寬；
* 抖動(dòng)本底噪聲低，大約300fs(300 x 10-15s)，能夠最小化DUT抖動(dòng)測(cè)量對(duì)示波器的依賴性。
* 8位捕捉，提供了足以應(yīng)對(duì)最新串行標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)范圍，適合16級(jí)調(diào)制方案。
方程式的重要部分是能提供使抖動(dòng)測(cè)量和分析自動(dòng)完成的工具集。抖動(dòng)測(cè)量屬于一個(gè)精細(xì)學(xué)科，但也有助于提供專用的軟件解決方案(假設(shè)示波器平臺(tái)支持這種功能)。
有些應(yīng)用的要求超過(guò)了實(shí)時(shí)DSA/DPO示波器的能力。這些儀器的實(shí)時(shí)帶寬和分辨率必須與DUT的數(shù)據(jù)率及其諧波相當(dāng)。此外，部分形式的多級(jí)調(diào)制對(duì)儀器區(qū)分不同級(jí)別的能力有苛刻的要求。這種情況下，采用另一種抖動(dòng)測(cè)量工具將更為合適。
