以頻域時(shí)鐘抖動(dòng)分析加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程

由于數(shù)據(jù)率的提升，對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)分析的需求也隨之水漲船高。在高速串行數(shù)據(jù)鏈接中，時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)影響發(fā)射器、傳輸線路、及接收器中的數(shù)據(jù)抖動(dòng)。時(shí)鐘質(zhì)量保證的測(cè)量也在發(fā)展。其強(qiáng)調(diào)的是，就位錯(cuò)誤率而言，建立時(shí)鐘效能與系統(tǒng)效能的直接關(guān)聯(lián)性。我們將回顧參考時(shí)鐘的作用及時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)抖動(dòng)的影響，并討論運(yùn)行在E5052B 信號(hào)源分析儀（SSA） 上的Agilent E5001A 精確時(shí)鐘抖動(dòng)分析應(yīng)用所采用之新測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)具有出色的功能、可測(cè)量超低的隨機(jī)抖動(dòng)（random jitter ，RJ）及對(duì)RJ 與周期抖動(dòng)（periodic jitter ，PJ）成分的實(shí)時(shí)抖動(dòng)頻譜分析，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。我們還將討論這種可加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程的新技術(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量能力。

參考時(shí)鐘在高速串行應(yīng)用中的作用

圖1 顯示了參考時(shí)鐘的主要組成部分。發(fā)射器通常將一組低速率的并行信號(hào)連續(xù)串行（serialize）成一串行數(shù)據(jù)串流。信號(hào)傳播的傳輸信道包括背板和纜線。接收器會(huì)對(duì)進(jìn)入的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋、重建其時(shí)鐘信號(hào)，而且通常要將其解串行（de-serialize）成為并行數(shù)據(jù)串流。在許多像這一類的描述中，多把參考時(shí)鐘當(dāng)作是一種組成要素，而不是關(guān)鍵的參與者（player）。但在高速率串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，參考時(shí)鐘則會(huì)被當(dāng)作關(guān)鍵組件來使用。通常參考時(shí)鐘是以遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)率的頻率來進(jìn)行振蕩，然后在發(fā)射器中進(jìn)行倍頻。發(fā)射器使用參考時(shí)鐘來定義在串行數(shù)據(jù)串流中邏輯轉(zhuǎn)換的時(shí)序。發(fā)射數(shù)據(jù)中含有參考時(shí)鐘的特征。在接收器端，會(huì)出現(xiàn)兩種不同的情況。如果參考時(shí)鐘還未分配，接收器從數(shù)據(jù)串流中恢復(fù)一個(gè)時(shí)鐘，例如，使用鎖相環(huán)（PLL），并使用該時(shí)鐘來及時(shí)地定位出采樣點(diǎn)。如果參考時(shí)鐘已經(jīng)分配，則接收器采用數(shù)據(jù)信號(hào)和參考時(shí)鐘來對(duì)采樣點(diǎn)定位。

時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)發(fā)射器數(shù)據(jù)抖動(dòng)的影響

參考時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)序的根本來源。它提供了發(fā)射器的時(shí)基（time-base）。在分布式及非分布式時(shí)鐘系統(tǒng)中，參考時(shí)鐘的特征在接收器時(shí)鐘恢復(fù)電路中重現(xiàn)。現(xiàn)在，我們要了解一下時(shí)鐘抖動(dòng)是如何在系統(tǒng)的發(fā)射器中傳播的。

要定義邏輯轉(zhuǎn)換的時(shí)序，發(fā)射器必須用一個(gè)適當(dāng)?shù)囊蛩貙?duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，以得到數(shù)據(jù)率。例如，對(duì)于100 MHz 參考時(shí)鐘和一個(gè)5 Gb/s 的輸出信號(hào)，發(fā)射器會(huì)用PLL 會(huì)參考時(shí)鐘增加50倍。PLL 乘法器（multiplier）既放大了時(shí)鐘抖動(dòng)，也引入其自身的抖動(dòng)，主要是來自PLL 壓控振蕩器 （Voltage Controlled Oscillator，VCO）的RJ 抖動(dòng)。頻率增加n倍的效果是，是把相位噪聲功率對(duì)載子比（phase noise power to carrier ratio）放大n2倍，所以抖動(dòng)就會(huì)迅速地提高。

發(fā)射器中的PLL 乘法器有一定的頻率響應(yīng)，通常為秒級(jí)的響應(yīng)，如圖3所示。非均勻的頻率響應(yīng)帶來了一個(gè)有趣的問題：時(shí)鐘抖動(dòng)究竟有什么影響？如果PLL 性能良好且有零頻寬，就可以過濾掉所有的時(shí)鐘抖動(dòng)，從而為發(fā)射器提供無抖動(dòng)的時(shí)基。當(dāng)然，零頻寬意味著無限長(zhǎng)的鎖定時(shí)間，所以要有所妥協(xié)。但PLL 頻寬越窄，從參考時(shí)鐘進(jìn)入數(shù)據(jù)的抖動(dòng)就越少。要想確定時(shí)鐘是否是以所要的BER 在系統(tǒng)中運(yùn)行，就要仔細(xì)地測(cè)試抖動(dòng)頻譜。

現(xiàn)實(shí)世界中的抖動(dòng)源

現(xiàn)實(shí)世界中的高速數(shù)據(jù)電路中有許多抖動(dòng)源，如圖4所示。如前面所述，時(shí)鐘信號(hào)通常分布到多個(gè)IC中，時(shí)鐘頻率可倍頻（multiplied）與/或分頻（divided）。假定來自晶體振蕩器的參考時(shí)鐘有更低的抖動(dòng)，倍頻或分頻的輸出時(shí)鐘會(huì)由于IC的附加噪聲（additive noise）或來自其它設(shè)備的干擾而變得不干凈。

一個(gè)主要的污染源是典型開關(guān)頻率為100 kHz到1 MHz的開關(guān)電源噪聲。這種開關(guān)電源噪聲可以進(jìn)入到時(shí)鐘信號(hào)線路中，在圖中左下方為PJ抖動(dòng)。

其它周期抖動(dòng)成份源可以是數(shù)據(jù)或時(shí)鐘線路的干擾，而且相互間調(diào)變的（inter-modulation）產(chǎn)物會(huì)進(jìn)入時(shí)鐘線路，它也被視為PJ 抖動(dòng)的成份。只要PJ 成份遠(yuǎn)離時(shí)鐘頻率，就可以插入一個(gè)帶通常濾波器（或低通濾波器）來抑制這些抖動(dòng)。問題是當(dāng)周期抖動(dòng)接近到時(shí)鐘頻率時(shí)，高Q的（high-Q）濾波器在高頻的情況下很難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于參考時(shí)鐘的RJ抖動(dòng)，一個(gè)時(shí)鐘分頻電路會(huì)加進(jìn)寬帶噪聲，造成輸出時(shí)鐘信號(hào)的RJ抖動(dòng)增加。

為了診斷問題，必須在電路實(shí)際位置上及/或在運(yùn)行條件下，分析時(shí)鐘抖動(dòng)的特點(diǎn)。

透過相位噪聲測(cè)量技術(shù)分析時(shí)鐘抖動(dòng)的特點(diǎn)

要全面分析時(shí)鐘信號(hào)需要飛秒級(jí)（femto )[fai](f [fai] second）的精度，這只能以相位噪聲測(cè)量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。相位噪聲分析提供了兩個(gè)關(guān)鍵測(cè)量：S (t)，兩者中含從時(shí)鐘相位信息到相位噪聲測(cè)量頻寬限制的所有內(nèi)容。[fai]與利用相位噪聲分析儀分析RJ 抖動(dòng)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)重要目標(biāo)。第一是整合RJ )冪級(jí)數(shù)（power- series）的特點(diǎn)可以找到RJ[fai] (f[fai]抖動(dòng)頻譜，即從所需頻寬中抽取相對(duì)應(yīng)RJ 高斯分布的寬度。其次是，分析S 抖動(dòng)的主要原因。（圖5） PJ 成份在相位噪聲頻譜中會(huì)被看成是雜散信號(hào)（spur）。PJ 頻率的知識(shí)有助于診斷故障。了解每個(gè)PJ 頻率的PJ rms 也有助于理解各PJ 成份對(duì)整體時(shí)鐘抖動(dòng)的作用，以檢查如果移除了主要的PJ 成份，會(huì)對(duì)總抖動(dòng)有多大的影響。（圖6）

以先進(jìn)架構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的抖動(dòng)測(cè)量

不像傳統(tǒng)抖動(dòng)測(cè)量的范例一樣，配有E5001A 軟件的E5052B SSA 提供了對(duì)相位噪聲測(cè)量的實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析。該儀器采用有參考源的PLL 方式。它可自動(dòng)檢測(cè)時(shí)鐘頻率，而內(nèi)建的參考源會(huì)自動(dòng)地在幾毫秒內(nèi)調(diào)節(jié)到時(shí)鐘頻率，并測(cè)量來自維持PLL的相位檢測(cè)器之噪聲信號(hào)。以250 MSa/sADC 擷取的噪聲信號(hào)可支持100 MHz的抖動(dòng)頻寬測(cè)量，覆蓋了OC-192抖動(dòng)的分析范圍。實(shí)時(shí)FFT 可動(dòng)態(tài)地取得頻域數(shù)據(jù)，提高了測(cè)量的速度。例如，它每次只需0.3 秒來測(cè)量1 kHz 到100 MHz的頻寬。

采用交叉相關(guān)技術(shù)的抖動(dòng)噪聲基準(zhǔn)

E5052B抖動(dòng)測(cè)量的分辨率和噪聲基準(zhǔn)（noise floor）非常低，通常為10Gbps 速率的飛秒級(jí)RJ 抖動(dòng)噪聲基準(zhǔn)。由于有限的動(dòng)態(tài)范圍ADC、和內(nèi)部干擾時(shí)基相對(duì)較大的殘存抖動(dòng)，典型的高性能（實(shí)時(shí)或采樣）示波器具有超過上百飛秒的抖動(dòng)噪聲基準(zhǔn)。E5052B 透過檢測(cè)消除了較大載波信號(hào)的基頻的相位噪聲，維持較寬的動(dòng)態(tài)范圍。即使在低于其內(nèi)部時(shí)基的殘存抖動(dòng)時(shí)，E5052B也可使用獨(dú)特的交叉相關(guān)技術(shù)在兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部測(cè)量通道間擴(kuò)充抖動(dòng)測(cè)量極限（圖7）。使用這種交叉相關(guān)（cross-correlation）技術(shù)，E5052B 可實(shí)現(xiàn)比當(dāng)今高性能示波器低100 到1,000 倍的抖動(dòng)噪聲基準(zhǔn) （圖8）。

實(shí)時(shí)地模擬PLL 回應(yīng)

圖9 為PLL 響應(yīng)功能直接用于時(shí)鐘相位噪聲信號(hào)效果的一個(gè)例子。從其中可以看出頻譜中的不同部分是如何被抑制的，從而可分析與應(yīng)用相關(guān)的抖動(dòng)。E5052B對(duì)相位噪聲測(cè)量的實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析加快了設(shè)計(jì)流程。任何PLL 響應(yīng)功能都可移植到E5052B SSA 中，使用者就可以輕松而迅速地從設(shè)備到設(shè)備模擬PLL 的響應(yīng)了。

結(jié)論

對(duì)于高速串行數(shù)據(jù)應(yīng)用，時(shí)鐘抖動(dòng)分析的主要目標(biāo)是要確定參考時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)位錯(cuò)誤率的影響。最準(zhǔn)確的方法是將該應(yīng)用最差的發(fā)射器（及接收器）的傳輸功能用于應(yīng)用中，以及測(cè)量時(shí)鐘 RJ 抖動(dòng)與PJ抖動(dòng)的結(jié)果。運(yùn)行在E5052B上的E5001A 精密時(shí)鐘抖動(dòng)分析軟件改變了傳統(tǒng)抖動(dòng)測(cè)量產(chǎn)品的特點(diǎn)，不只提供了飛秒級(jí)精度的全面分析時(shí)鐘抖動(dòng)，還提供了輕松使用及實(shí)時(shí)的抖動(dòng)分析能力，這將有助于加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證的流程。