高级抖动溯源分析方法

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给房
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高级抖动溯源分析方法安捷伦科技 ( 中国 ) 有限公司孙灯亮抖动的定义及和相位噪声和频率噪声的关系抖动是数字系统的信号完整性测试的核心内容之一, 是时钟和串行信号的最重要测量参数 ( 注 : 并行总线的最重要测量参数是建立时间和保持时间 ) 一般这样定义抖动 : 信号的某特定时刻相对于其理想时间位置上的短期偏离为抖动 ( 参考 :Bell Communications

1 高级抖动溯源分析方法安捷伦科技 ( 中国 ) 有限公司孙灯亮抖动的定义及和相位噪声和频率噪声的关系抖动是数字系统的信号完整性测试的核心内容之一, 是时钟和串行信号的最重要测量参数 ( 注 : 并行总线的最重要测量参数是建立时间和保持时间 ) 一般这样定义抖动 : 信号的某特定时刻相对于其理想时间位置上的短期偏离为抖动 ( 参考 :Bell Communications Research,Inc(Bellcore),"Synchrous Optical Network(SONET) Transport Systems:Common Generic Criteria, TR-253-CORE",Issue 2, Rev No.1, December 1997". 如图 1 所示其中快过 10HZ 的偏离定义为抖动 (Jitter), 漫过 10Hz 的偏离定义为漂移 (Wander) 抖动和相位噪声和频率噪声有什么关系呢? 图 1. 时钟和数据抖动的定义图 2. 抖动和相位噪声和频率噪声的关系

2 抖动成分的分解及各个抖动成分的特征及产生原因随着信号速率的不断提高和对精度的越来越高要求, 需要进行抖动成分的分离以更深入表征抖动特征和查找问题根源一般按图 3 进行抖动成分的分离图 3. 抖动成分分离图各个英文的中文翻译如下 Total Jitter(TJ): 总体抖动 ; Random Jitter(RJ): 随机抖动 ; Deterministic Jitter(DJ): 确定性抖动 ; Data Dependent Jitter(DDJ): 数据相关抖动 ; Periodic Jitter(PJ): 周期性抖动 ; Inter-symbol Interference(ISI): 码间干扰 Duty Cycle Distortion(DCD): 占空比失真 ; Sub Rate Jitter(SRJ): 子速率抖动下面分别讨论每种抖动成分的特征和产生原因 1 随机抖动 RJ 随机抖动是不能预测的定时噪声, 因为它没有可以识别的模式典型的随机噪声实例是在无线电接收机调谐到没有活动的载频时听到的声音尽管在理论上随机过程具有任意概率分布, 但我们假设随机抖动呈现高斯分布, 以建立抖动模型这种假设的原因之一是, 在许多电路中, 随机噪声的主要来源是热噪声 ( 也称为 Johnson 噪声或散粒噪声 ), 而热噪声呈现高斯分布另一个比较基础的原因是, 根据中心极限定理, 不管各个噪声源采用什么分布, 许多不相关的噪声源的合成效应该接近高斯分布高斯分布也称为正态分布, 但它的一个最重要的特点是 : 对高斯变量, 它可以达到的峰值是无穷大尽管这种随机变量的大多数样本将会聚集在中间值的周围, 但在理论上, 任何单一的样本, 它可以偏离中间值任意大的量所以, 高斯分布都没有峰到峰边界值, 从这种分布中的样本数越多, 所测得的峰到峰值将越大所以, 我们用 stdev 或 RMS( 均方差 ) 值来衡量随机抖动 RJ 2 确定性抖动 DJ 确定抖动是可以重复的可以预测的定时抖动正因如此, 这个抖动的峰到峰值具有上下限, 在数量相对较少的观察基础上, 通常可以以高置信度观察或预测其边界 DDJ 和 PJ 根据抖动特点和根本成因进一步细分了这类抖动确定性抖动和随机抖动在统计图上可以用图 4 形象化表示

扩频时钟 ) 测试结果,SSC 是典型的周期性抖动子速率抖动 SRJ 是 PJ 的不同频率成分, 可以帮助判断干扰源的频率图 5.

3 图 4.RJ 和 DJ 在统计图上的形象化表示 3 周期性抖动 PJ 和子速率抖动 SRJ 以周期方式重复的抖动称为周期性抖动由于任何周期波形都可以分解成傅立叶顺序的谐波相关的正弦曲线, 这类抖动有时称为正弦曲线抖动一般来说, 周期性抖动与数据流中任何定期重复的码型无关周期性抖动一般是由耦合到系统中的外部确定性的噪声源而引起的, 如开关电源噪声或强的局部 RF 载波时钟恢复 PLL 不稳定也可能会导致周期性抖动图 5 是计算机中常用的 SSC( 扩频时钟 ) 测试结果,SSC 是典型的周期性抖动子速率抖动 SRJ 是 PJ 的不同频率成分, 可以帮助判断干扰源的频率图 5.SSC( 扩频时钟 ) 是典型的周期性抖动 PJ 4 数据相关抖动 DDJ 与数据流中的位序列相关的任何抖动都称为数据相关抖动 DDJ DDJ 通常是由连接器, 电缆,PCB 传输线, 背板等的不足的频响 ( 阻抗不连续和损耗的综合结果 ) 引起的不足带宽对数据序列强烈地执行低通滤波, 由于滤波, 波形没到达完全的高状态或低状态, 除非

有同极性的多个位连续出现 ( 注 : 轮流的 1,0,1,0,1,0 属于高频, 因为每单位区间内, 信号都发生电压跳转连续的 1 或 0, 因为信号电压一直维持固定, 所以属于低频 ) 图 6 显示了这一个波形垂直偏置后与自己相叠加后的波形可以看到, 随着 1,0,1,0,1,0,1 序列的下降跳转, 比随着 1,0,1,0,1,1,1 序列的下降跳转, 跨过门限的时间较早

4 有同极性的多个位连续出现 ( 注 : 轮流的 1,0,1,0,1,0 属于高频, 因为每单位区间内, 信号都发生电压跳转连续的 1 或 0, 因为信号电压一直维持固定, 所以属于低频 ) 图 6 显示了这一个波形垂直偏置后与自己相叠加后的波形可以看到, 随着 1,0,1,0,1,0,1 序列的下降跳转, 比随着 1,0,1,0,1,1,1 序列的下降跳转, 跨过门限的时间较早由于这种定时偏移是可以预测的, 它与跳转前的特定数据有关, 因此它属于 DDJ, 也称为码间干扰 ISI 图 6. 码间干扰 ISI 的成因图示 5 占空比失真 DCD 导致占空比失真 DCD 抖动的常见原因有两个 : 1. 上升沿的转换速率与下降沿的转换速率不同一般判定门限位于 50% 幅度点, 但波形的上升时间慢, 导致上升沿跨过门限的时间比下降沿晚, 结果, 在眼图上交叉点不是 50% 的位置, 出现占空比失真抖动 DCD 2. 波形的判定门限高于或低于应该值信号的眼图特征上, 交叉点在 50%, 但是判定门限没有设在 50% 幅度点上也出现占空比失真抖动 DCD, 统计直方图看上去与原因 1 非常类似 6 使用浴盆曲线和双狄拉克模型预估总体抖动 TJ 高斯概率分布以及其峰到峰值在理论上没有界限, 把这两项结合在一起考虑, 会导致一个有趣的想法 : 对包含某些高斯抖动的任何信号, 如果累计样本的时间足够长, 眼图应该会完全合上那么我们测试眼图和抖动测试多长时间多少样本数比较合适? 一般数字通讯的误码率 BER 要求为 1e-12 时 ( 这是串行通信链路常用的误码率容限规范 ), 而示波器要捕获这么多数据需要的时间太长, 如何保证短时间捕获却能得出较准确的测量结果? 这就要用到浴盆曲线和双狄拉克模型, 图 7 的公式即是双狄拉克模型图 7. 双狄拉克模型和公式

通过浴盆曲线测试误码率为 1e-12 要求下的总体抖动 TJ 高级抖动溯源分析方法通过抖动的分离, 一方面可以帮助我们判断被测件 DUT 是否满足设计或规范要求, 另一方面可以帮助我们寻找问题根源, 这就是抖动的溯源分析方法图 9 是抖动成因关系图图 9.

5 使用示波器捕获足够的数据 ( 一般不用太多, 比如 200K 样点 ), 可以容易分离出 RJ 和 DJ, 然后通过 RJ 和 DJ 卷积的双狄拉克模型, 可以推算出误码率和眼张开度的对应曲线, 从而可以推算出不同数据量或误码率对应的抖动值, 如图 8 所示浴盆曲线不是测试误码率的曲线, 而是测试总体抖动的方法, 这一点我们一定要正确认识和理解图 8. 通过浴盆曲线测试误码率为 1e-12 要求下的总体抖动 TJ 高级抖动溯源分析方法通过抖动的分离, 一方面可以帮助我们判断被测件 DUT 是否满足设计或规范要求, 另一方面可以帮助我们寻找问题根源, 这就是抖动的溯源分析方法图 9 是抖动成因关系图图 9. 抖动成因关系图从抖动成因关系图, 结合我们实际的经验, 我们作系统设计, 可能增加抖动的地方在于 : 1) 互连通道 ; 2) 电源纹波和噪声 ; 3) 参考时钟通过抖动分离, 如果发现 ISI 比较大, 那么主要来源是互连通道, 可以进一步测试互连通道的阻抗连续性和损耗来确定问题根源如果发现 PJ 比较大, 根据长时间积累的经验, 90% 的可能原因是电源纹波 ( 针对非扩频系统 ), 那么就需要进一步测试电源纹波确定问题

6 的根源如果发现 RJ 比较大, 主要原因是散热和电源噪声图 10 是一个实际的例子 : 被测信号是一个 2.5GHz 的 PCIe 信号 ( 图 10 的黄色波形 ), 通过抖动成分分解发现 PJ 比较大, 这时候打开抖动趋势图 ( 抖动趋势图是把被测波形每个具体边沿抖动值连接在一起的波形, 水平轴代表与被测波形水平轴一样的时间信息, 垂直轴代表具体每个边沿的抖动值, 也用时间表示, 如图 10 中的蓝色波形 ), 发现波形很有规律按照经验法则,90% 的原因是来自电源纹波, 所以用通道 2 探测怀疑的电源, 电源纹波波形如图 10 中的绿色波形, 绿色波形形状与抖动趋势图一致, 而且是同步变化, 这样即可定位 PJ 是来自于电源纹波解决办法是增加滤波电容或改变电源系统的设计以减小电源纹波, 最终使得 PCIe 的抖动满足规范要求所以, 通过抖动的分离, 我们可以容易的寻找到问题的根源, 从而大大降低了解决问题的难度更多关于数字测量方面的技术文章和方案, 可访问参考资料 : 孙灯亮的博客 :

Jitter Measurement V0.5

Jitter Measurement V0.5 时钟抖动测量简介抖动的峰峰值和有效值 Pk-pk jitter, RMS jitter JTA2 抖动分析软件包的功能 Jitter Track Jitter Histogram Jitter FFT Page 2 抖动定义抖动的定义为信号的定时事件与其理想位置之间的偏差 SONET SPEC: Jitter is defined as the short-term variations of