揭露三個(gè)關(guān)鍵PHY性能指標(biāo)，保證你的JESD204B鏈路質(zhì)量

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隨著越來(lái)越多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中采用JESD204接口，必需更加關(guān)注數(shù)字接口的性能并予以?xún)?yōu)化，重點(diǎn)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(gè)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(gè)速度等級(jí)，最大數(shù)據(jù)速率為12.5 Gbps。這三個(gè)速度等級(jí)遵循三個(gè)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(duì)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(duì)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)速率需要更謹(jǐn)慎地從設(shè)計(jì)與性能方面考慮高速CML驅(qū)動(dòng)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(píng)估JESD204B發(fā)射器的PHY性能，則需評(píng)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、差分輸出回波損耗、共模回波損耗、發(fā)射器短路電流、眼圖模板和抖動(dòng)。本文將討論三個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)，眼圖、浴盆圖和直方圖，這些指標(biāo)通常用于評(píng)估發(fā)射器信號(hào)質(zhì)量。由于信號(hào)必須在接收器端被正確解碼，這些測(cè)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(xiàn)，以多種參數(shù)表示鏈路質(zhì)量。可通過(guò)該曲線(xiàn)觀(guān)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(píng)估物理層的一種方法。浴盆圖和直方圖是可用來(lái)評(píng)估JESD204B鏈路質(zhì)量的另外兩種重要性能指標(biāo)。測(cè)量單位間隔(UI)時(shí)，浴盆圖可直觀(guān)地表示針對(duì)給定眼圖開(kāi)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(shí)間，表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔。第三個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)是直方圖，表示被測(cè)UI值變化的分布。

該測(cè)量數(shù)據(jù)還可表示被測(cè)信號(hào)的抖動(dòng)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5.0 Gbps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顯示5.0 Gbps數(shù)據(jù)速率的JESD204B發(fā)射器眼圖。理想波形與測(cè)量波形相疊加。理想情況下，傳輸應(yīng)在無(wú)過(guò)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(diǎn)應(yīng)當(dāng)不存在抖動(dòng)。如圖1所示，由于信號(hào)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(shí)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(cè)得。在到達(dá)測(cè)量點(diǎn)之前，信號(hào)通過(guò)連接器、經(jīng)長(zhǎng)度約為20 cm的差分傳輸線(xiàn)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(wú)較大的阻抗不連續(xù)產(chǎn)生。它確實(shí)存在一定的抖動(dòng)，但不超過(guò)JESD204接口規(guī)范中的定義。該眼圖未發(fā)現(xiàn)任何過(guò)沖，但由于信號(hào)在傳輸介質(zhì)中的損耗，上升沿存在微量欠沖。這在信號(hào)通過(guò)連接器和20 cm差分傳輸線(xiàn)之后是可以預(yù)期的。當(dāng)信號(hào)存在少量抖動(dòng)時(shí)，UI平均值似乎與大致為200 ps的預(yù)期UI值相匹配。總之，該眼圖表示傳輸至接收器的信號(hào)良好，因此，理應(yīng)不存在恢復(fù)內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)時(shí)鐘和正確解碼數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

圖1. 5.0 Gbps眼圖。

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叉點(diǎn)處以及非轉(zhuǎn)換區(qū)域的信號(hào)抖動(dòng)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(kāi)始閉合。這種信號(hào)惡化將使得接收器的BER增加；若眼圖的閉合程度超過(guò)接收器的容差，則可能導(dǎo)致接收器端的JESD204B鏈路丟失。

圖2. 5.0 Gbps眼圖 – 不當(dāng)端接。

圖3中的眼圖表示另一種非理想數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。在這種情況下，在發(fā)射器和接收器中間某點(diǎn)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(kāi)口趨向閉合，表示轉(zhuǎn)換點(diǎn)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(xiàn)上的阻抗不連續(xù)而嚴(yán)重惡化。阻抗不連續(xù)還會(huì)造成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的抖動(dòng)量增加。一旦眼圖閉合超過(guò)接收器解碼數(shù)據(jù)流的能力極限，則數(shù)據(jù)鏈路丟失。在圖3這種情況下，許多接收器將可能無(wú)法解碼數(shù)據(jù)流。

圖3. 5.0 Gbps眼圖 – 阻抗不連續(xù)。

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ⅰＴ∨鑸D測(cè)量的是BER（比特誤差率），隨著眼圖的時(shí)間推移，它是采樣點(diǎn)的函數(shù)。浴盆圖通過(guò)使采樣點(diǎn)在眼圖內(nèi)移動(dòng)，并在每個(gè)點(diǎn)上測(cè)量BER所得。如圖4所示，采樣點(diǎn)越靠近眼圖中心，BER越低。隨著采樣點(diǎn)向眼圖的轉(zhuǎn)換點(diǎn)移動(dòng)，BER也隨之增加。給定BER情況下，浴盆圖兩條斜線(xiàn)之間的距離便是特定BER的眼圖開(kāi)口區(qū)域(本例中為10?12)。

圖4. 5.0 Gbps眼圖 – 浴盆圖測(cè)量。

浴盆圖還可提供信號(hào)中總抖動(dòng) (Tj)成分的信息。如圖5所示，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)接近或等于轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，抖動(dòng)相對(duì)平坦，且主要屬于確定性抖動(dòng)。和眼圖測(cè)量一樣，浴盆圖的測(cè)量基于JESD204B 5.0 Gbps 發(fā)射器，信號(hào)通過(guò)連接器以及約為20 cm的傳輸線(xiàn)后，對(duì)接收器進(jìn)行測(cè)量所得。隨著測(cè)量點(diǎn)向眼圖開(kāi)口中心移動(dòng)，抖動(dòng)機(jī)制的主要成分變?yōu)殡S機(jī)抖動(dòng)。隨機(jī)抖動(dòng)由大量的運(yùn)算處理產(chǎn)生，量綱通常極小。典型來(lái)源為：熱噪聲、布線(xiàn)寬度的變化、散粒噪聲等。隨機(jī)抖動(dòng)的概率密度函數(shù)(PDF)一般遵循高斯分布。另一方面，少量的運(yùn)算處理產(chǎn)生的確定性抖動(dòng)可能具有較大的量綱，并且可能互相關(guān)聯(lián)。確定性抖動(dòng)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(huì)改變，且通常不服從高斯分布。

圖5. 浴盆圖 – 抖動(dòng)的組成成分。

圖4中討論的浴盆圖的展開(kāi)圖形見(jiàn)圖6。在5.0 Gbps串行數(shù)據(jù)傳輸速率以及BER為10?12情況下，該圖表示接收器端眼圖開(kāi)口約為0.6UI（單位間隔）。

圖6. 5.0 Gbps浴盆圖。

特別需要注意的是，類(lèi)似圖6中所示的浴盆圖采用的是外推測(cè)量。用于捕捉數(shù)據(jù)的示波器根據(jù)一系列測(cè)量結(jié)果，經(jīng)外推得到浴盆圖。若需使用比特誤差率測(cè)試儀(BERT)并獲取足夠的測(cè)量數(shù)據(jù)以建立浴盆圖，則可能需耗時(shí)數(shù)小時(shí)以致數(shù)天，哪怕采用最新的高速運(yùn)算測(cè)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(guò)浴盆圖發(fā)現(xiàn)。對(duì)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(shí)，BER在 10?12 情況下的眼圖開(kāi)口僅為0.5 UI，比良好情況下的0.6 UI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(jī)抖動(dòng)。BER為 10?12時(shí)，浴盆圖兩側(cè)較為平緩的斜率以及收窄的眼圖開(kāi)口表明系統(tǒng)中有大量隨機(jī)抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)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(diǎn)。

圖7. 5.0 Gbps浴盆圖 – 不當(dāng)端接。

圖8. 5.0 Gbps浴盆圖 – 阻抗不連續(xù)。

直方圖

第三個(gè)有用的測(cè)量數(shù)據(jù)是直方圖。該圖表示數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，所測(cè)得的轉(zhuǎn)換點(diǎn)之間的間隔分布。與眼圖及浴盆圖測(cè)量一樣，直方圖的測(cè)量基于JESD204B 5.0 Gbps發(fā)射器，信號(hào)通過(guò)連接器以及約為20 cm的傳輸線(xiàn)后，對(duì)接收器進(jìn)行測(cè)量所得。圖9顯示5.0 Gbps速率時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)相對(duì)較好的直方圖。該直方圖表示185 ps和210 ps間測(cè)得的間隔大致符合高斯分布。5.0 Gbps信號(hào)的預(yù)期間隔為200 ps，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)。

圖9. 5.0 Gbps直方圖。

如圖10所示，當(dāng)產(chǎn)生不當(dāng)端接時(shí)，分布范圍變得更寬，將在170 ps和220 ps之間變動(dòng)。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(hào)存在隨機(jī)抖動(dòng)，因?yàn)樗鼈兙哂行嗡聘咚狗植嫉男螤?。然而，這些圖形并非真正的高斯分布，這表示還至少存在少量的確定性抖動(dòng)。

圖10 .5.0 Gbps直方圖 – 不當(dāng)端接。

T圖11所示直方圖表示傳輸線(xiàn)上存在阻抗不連續(xù)的情況。該圖形一點(diǎn)也不類(lèi)似高斯分布，具有第二個(gè)較小的波峰。測(cè)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200 ps，它偏移至大約204 ps。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(dòng)。這是由于傳輸線(xiàn)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(duì)間隔測(cè)量所得數(shù)值的范圍再次擴(kuò)大，雖然不如不當(dāng)端接情況下擴(kuò)大的多。該例中的范圍為175 ps至215 ps，約位于預(yù)測(cè)間隔兩側(cè)的?12.5%至+7.5%。雖然范圍不算很大，但再次強(qiáng)調(diào)，其分布本質(zhì)上更接近雙峰分布。

圖11. 5.0 Gbps直方圖 – 阻抗不連續(xù)。

結(jié)論

可通過(guò)一些性能指標(biāo)評(píng)估JESD204B發(fā)射器的物理層性能。這些指標(biāo)包括共模電壓、差分峰峰值電壓、差分阻抗、差分輸出回波損耗、共?；夭〒p耗、發(fā)射器短路電流、眼圖模板和抖動(dòng)。本文討論了可用來(lái)評(píng)估發(fā)射信號(hào)質(zhì)量的三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。眼圖、浴盆圖和直方圖是用于評(píng)估JESD204B鏈路質(zhì)量的三大重要性能指標(biāo)。諸如不當(dāng)端接和阻抗不連續(xù)等系統(tǒng)問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響物理層的性能。這些影響可通過(guò)眼圖、浴盆圖和直方圖中顯示出來(lái)的性能惡化觀(guān)察到。重要的是保證良好的設(shè)計(jì)規(guī)則，從而正確端接系統(tǒng)并避免在傳輸介質(zhì)中產(chǎn)生阻抗不連續(xù)。系統(tǒng)問(wèn)題可對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生明顯的不利影響，導(dǎo)致JESD204B的發(fā)射器和接收器之間數(shù)據(jù)鏈路故障。使用一定的技術(shù)避免這些問(wèn)題將確保系統(tǒng)的正常工作。

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