如何用示波器測(cè)量確定性抖動(dòng)

抖動(dòng)測(cè)量而設(shè)計(jì)的專用測(cè)試設(shè)備各種各樣，但價(jià)格都非常高，而且對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)太過(guò)專業(yè)而不適用。其實(shí)利用普通數(shù)字采樣示波器，設(shè)計(jì)人員也能準(zhǔn)確快速地進(jìn)行確定性抖動(dòng)測(cè)量，成本比所預(yù)計(jì)的要低很多。本文介紹針對(duì)較短的測(cè)試序列如何用示波器進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量。

準(zhǔn)確的抖動(dòng)測(cè)量對(duì)以太網(wǎng)和光通路元件來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。抖動(dòng)可以分成兩類，即隨機(jī)性(??限)抖動(dòng)和確定性(有界限)抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)(DJ)包括在受控條件下能夠重現(xiàn)的所有抖動(dòng)，可以再細(xì)分為周期抖動(dòng)(PJ)、測(cè)試序列模板造成的抖動(dòng)(PDJ)、脈寬失真(DCD)和有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng)。

產(chǎn)生確定性抖動(dòng)的主要原因有：

1．基準(zhǔn)電平模糊。由系統(tǒng)低頻截止點(diǎn)引起，它會(huì)在長(zhǎng)串連續(xù)同樣數(shù)字(CID)附近產(chǎn)生抖動(dòng)。

2．系統(tǒng)帶寬不足。這會(huì)阻止某些脈沖達(dá)到穩(wěn)態(tài)水平，在分隔的脈沖(如..010..或..101..數(shù)據(jù)序列)上引起抖動(dòng)。

3．放大器偏置?？稍诿看螖?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)引起脈寬變形。

4．非線性放大器效應(yīng)。它會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的抖動(dòng)影響，經(jīng)常在長(zhǎng)串CID之后引起抖動(dòng)。

5．電源噪聲和串?dāng)_。會(huì)產(chǎn)生與數(shù)據(jù)輸入無(wú)關(guān)的抖動(dòng)(有時(shí)稱作有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng))。

光纖通訊系統(tǒng)中，抖動(dòng)會(huì)在每個(gè)元件上累積。在接收端，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路(CDR)分析數(shù)據(jù)并分解出串行速率時(shí)鐘，CDR上的抖動(dòng)表現(xiàn)為時(shí)鐘速率小頻率變化。緩慢的變化(小頻率抖動(dòng))很容易跟蹤，而快速變化(高頻抖動(dòng))則不那么容易。如果接收端有太多高頻抖動(dòng)，時(shí)鐘就不能分解出來(lái)，于是在數(shù)據(jù)通信中出現(xiàn)大量錯(cuò)誤。

抖動(dòng)余量考慮

為防止上面所說(shuō)的這種情況出現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用抖動(dòng)余量。注意確定性抖動(dòng)是線性增加的(在最壞情況下所有抖動(dòng)源都加在一起)，而隨機(jī)性抖動(dòng)則以幾何倍數(shù)增加(平方和再開方)，這里假設(shè)引起隨機(jī)性抖動(dòng)的噪聲源是獨(dú)立無(wú)關(guān)的。將抖動(dòng)元件分開會(huì)使每個(gè)元件產(chǎn)生的抖動(dòng)更加隨機(jī)，這有幾個(gè)好處，包括鏈接距離更長(zhǎng)及元件成本更低。

應(yīng)注意的是，確定性抖動(dòng)測(cè)量誤差總是使元件確定性抖動(dòng)顯得更大，而且是直接從余量中減去，隨機(jī)性抖動(dòng)測(cè)量誤差沒有這么嚴(yán)重，所以更需要準(zhǔn)確測(cè)量確定性抖動(dòng)。

測(cè)量確定性抖動(dòng)需要知道一個(gè)數(shù)據(jù)模板序列。K28.5是測(cè)量光纖通道和工作在1Gb/s到3.125Gb/s以太網(wǎng)系統(tǒng)抖動(dòng)通常指定的序列模板，該序列是8B/10B譯碼表中的一個(gè)特殊字符，經(jīng)常表示一幀的開始或結(jié)束。重復(fù)的K28.5序列(輪流由K28.5+和K28.5-構(gòu)成)含有數(shù)據(jù)串0011111010110000010，它有五個(gè)連續(xù)的1和五個(gè)連續(xù)的0(8B/10B譯碼數(shù)據(jù)中最長(zhǎng)連續(xù)同樣數(shù)字)，它還含有分開的1-010和0-101。

重復(fù)的K28.5序列可用于測(cè)量因基準(zhǔn)電平模糊、低帶寬和偏置引起的確定性抖動(dòng)，其它序列更適合于測(cè)量非線性影響引起的抖動(dòng)。

抖動(dòng)測(cè)量

用示波器測(cè)量確定性抖動(dòng)通常有三種方法，分別是眼圖法、平均眼圖法和平均交叉測(cè)量法(表1)。

使用眼圖法時(shí)，示波器將同時(shí)顯示多個(gè)交叉的波形，可以迅速看到整體抖動(dòng)情況(確定性抖動(dòng)和隨機(jī)性抖動(dòng)結(jié)合在一起)。眼圖法的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快和設(shè)置方便，圖1顯示了測(cè)試設(shè)備和被測(cè)器件(DUT)的典型設(shè)置。但眼圖既不能把隨機(jī)性抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)分離開，也不能將測(cè)試系統(tǒng)引起的抖動(dòng)去掉。

用眼圖法時(shí)應(yīng)清楚觸發(fā)方式會(huì)掩蓋大部分確定性抖動(dòng)，例如假設(shè)序列發(fā)生器每10個(gè)時(shí)鐘周期提供一次觸發(fā)，如果序列長(zhǎng)度是偶數(shù)，那么示波器就不會(huì)在奇數(shù)位上觸發(fā)，這會(huì)將一些轉(zhuǎn)換掩蓋掉，利用奇數(shù)長(zhǎng)度序列或在序列發(fā)生器時(shí)鐘輸出上的觸發(fā)可以避免這個(gè)問(wèn)題。

如果被測(cè)器件含有時(shí)間再生電路(時(shí)鐘恢復(fù)或再定時(shí)器)，應(yīng)采用好的鎖相環(huán)來(lái)恢復(fù)示波器觸發(fā)時(shí)鐘，該鎖相環(huán)是針對(duì)特定協(xié)議的。另外如果被測(cè)器件內(nèi)有光學(xué)元件，還需要增加適當(dāng)?shù)墓庾儞Q器(光-電或電-光轉(zhuǎn)換器)。必要時(shí)可假設(shè)光轉(zhuǎn)換器或鎖相環(huán)已包含在測(cè)試設(shè)備里。

有些示波器提供的平均模式能去除眼圖中的隨機(jī)性抖動(dòng)，這種模式與基本眼圖相比精確性和可重復(fù)性都更高，但與觸發(fā)有關(guān)的問(wèn)題同樣存在。

平均交叉測(cè)量法在K28.5序列上能準(zhǔn)確測(cè)量確定性抖動(dòng)的大部分來(lái)源，其步驟如下：

1．如圖1所示連接好被測(cè)器件，將示波器觸發(fā)設(shè)為序列模板。

2．在示波器屏幕上顯示整個(gè)K28.5序列。

3．計(jì)算屏幕上每次轉(zhuǎn)換的預(yù)期交叉時(shí)間(最好是單位時(shí)間間隔，但應(yīng)跳過(guò)沒有轉(zhuǎn)換的單位時(shí)間間隔)。

4．反復(fù)進(jìn)行平均運(yùn)算。

5．把交叉制成表格并計(jì)算抖動(dòng)，重復(fù)K28.5序列(001111101011000001010)有10個(gè)交叉。

6．保證信號(hào)填滿垂直平面的至少2/3，這樣可使示波器的數(shù)字化性能最佳。

7．示波器主要位置設(shè)定盡可能小(使延遲離開觸發(fā)，顯示盡可能短以減少觸發(fā)抖動(dòng))。

8．使用最大水平分辨率(多個(gè)水平點(diǎn))。

9．反復(fù)進(jìn)行平均(平均6?到1,000次)以減少隨機(jī)性抖動(dòng)。

注意周期性抖動(dòng)和有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng)不能用已平均的示波器波形來(lái)捕捉，應(yīng)采用其它方法測(cè)量，如果能安全假設(shè)被測(cè)器件不會(huì)產(chǎn)生大量這類抖動(dòng)，那就可用平均交叉測(cè)量。

對(duì)于使用擾頻器的系統(tǒng)，該技術(shù)則太過(guò)困難用不能使用，因?yàn)檫@類系統(tǒng)的測(cè)試序列一般都很長(zhǎng)。例如通常用于測(cè)試擾頻數(shù)據(jù)系統(tǒng)的223-1偽隨機(jī)二進(jìn)制序列長(zhǎng)度超過(guò)800萬(wàn)比特，對(duì)如此長(zhǎng)的圖形進(jìn)行平均交叉測(cè)量很慢，而且也不準(zhǔn)確。

增強(qiáng)準(zhǔn)確性

當(dāng)今很多元件的確定性抖動(dòng)與模板發(fā)生器和示波器的差不多或更小，因此要準(zhǔn)確確定這些元件的抖動(dòng)就要先找出測(cè)試系統(tǒng)引入的抖動(dòng)，然后對(duì)測(cè)量進(jìn)行調(diào)整。把被測(cè)器件從測(cè)試裝置上拿掉并判定數(shù)據(jù)圖形每次轉(zhuǎn)換的抖動(dòng)可測(cè)出系統(tǒng)誤差，然后把被測(cè)器件放回到測(cè)試系統(tǒng)，再次測(cè)量抖動(dòng)值，可通過(guò)算術(shù)方法判定出被測(cè)器件產(chǎn)生的抖動(dòng)。

這里介紹的平均交叉測(cè)量方法非常適合于使用8B/10B編碼系統(tǒng)的以太網(wǎng)和光纖通道元件的確定性抖動(dòng)測(cè)量，僅采用常用測(cè)試設(shè)備就可進(jìn)行準(zhǔn)確可重復(fù)的抖動(dòng)測(cè)量。