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用示波器測量確定性抖動(dòng)
2015-03-03
為抖動(dòng)測量而設(shè)計(jì)的專用測試設(shè)備各種各樣，但價(jià)格都非常高而且對(duì)某些應(yīng)用來說太過專業(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)較短的測試序列如何用示波器進(jìn)行抖動(dòng)測量。
準(zhǔn)確的抖動(dòng)測量對(duì)以太網(wǎng)和光通路元件來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。抖動(dòng)可以分成兩類，超聲波測厚儀即隨機(jī)性(無界限)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)、測試序列模板造成的抖動(dòng)(PDJ)、脈寬失真(DCD)和有限無關(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。可在每次數(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)測的抖動(dòng)影響經(jīng)常在長串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)輸入無關(guān)的抖動(dòng)(有時(shí)稱作有限無關(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及元件成本更低。
應(yīng)注意的是確定性抖動(dòng)測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)測量誤差沒有這么嚴(yán)重所以更需要準(zhǔn)確測量確定性抖動(dòng)。
測量確定性抖動(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量非線性影響引起的抖動(dòng)。
抖動(dòng)測量
用示波器測量確定性抖動(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顯示了測試設(shè)備和被測器件(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)問題。
如果被測器件含有時(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)的問題同樣存在。
平均交叉測量法在K28.5序列上能準(zhǔn)確測量確定性抖動(dòng)的大部分來源其步驟如下：
1．如圖1所示連接好被測器件將示波器觸發(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64到1,000次)以減少隨機(jī)性抖動(dòng)。
注意周期性抖動(dòng)和有限無關(guān)聯(lián)抖動(dòng)不能用已平均的示波器波形來捕捉應(yīng)采用其它方法測量如果能安全假設(shè)被測器件不會(huì)產(chǎn)生大量這類抖動(dòng)那就可用平均交叉測量。
對(duì)于使用擾頻器的系統(tǒng)該技術(shù)則太過困難用不能使用因?yàn)檫@類系統(tǒng)的測試序列一般都很長。例如通常用于測試擾頻數(shù)據(jù)系統(tǒng)的223-1偽隨機(jī)二進(jìn)制序列長度超過800萬比特對(duì)如此長的圖形進(jìn)行平均交叉測量很慢而且也不準(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)就要先找出測試系統(tǒng)引入的抖動(dòng)然后對(duì)測量進(jìn)行調(diào)整。把被測器件從測試裝置上拿掉并判定數(shù)據(jù)圖形每次轉(zhuǎn)換的抖動(dòng)可測出系統(tǒng)誤差然后把被測器件放回到測試系統(tǒng)再次測量抖動(dòng)值可通過算術(shù)方法判定出被測器件產(chǎn)生的抖動(dòng)。
這里介紹的平均交叉測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)測量僅采用常用測試設(shè)備就可進(jìn)行準(zhǔn)確可重復(fù)的抖動(dòng)測量。
準(zhǔn)確的抖動(dòng)測量對(duì)以太網(wǎng)和光通路元件來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。抖動(dòng)可以分成兩類，超聲波測厚儀即隨機(jī)性(無界限)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)、測試序列模板造成的抖動(dòng)(PDJ)、脈寬失真(DCD)和有限無關(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。可在每次數(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)測的抖動(dòng)影響經(jīng)常在長串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)輸入無關(guān)的抖動(dòng)(有時(shí)稱作有限無關(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及元件成本更低。
應(yīng)注意的是確定性抖動(dòng)測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)測量誤差沒有這么嚴(yán)重所以更需要準(zhǔn)確測量確定性抖動(dòng)。
測量確定性抖動(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量非線性影響引起的抖動(dòng)。
抖動(dòng)測量
用示波器測量確定性抖動(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顯示了測試設(shè)備和被測器件(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)問題。
如果被測器件含有時(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)的問題同樣存在。
平均交叉測量法在K28.5序列上能準(zhǔn)確測量確定性抖動(dòng)的大部分來源其步驟如下：
1．如圖1所示連接好被測器件將示波器觸發(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64到1,000次)以減少隨機(jī)性抖動(dòng)。
注意周期性抖動(dòng)和有限無關(guān)聯(lián)抖動(dòng)不能用已平均的示波器波形來捕捉應(yīng)采用其它方法測量如果能安全假設(shè)被測器件不會(huì)產(chǎn)生大量這類抖動(dòng)那就可用平均交叉測量。
對(duì)于使用擾頻器的系統(tǒng)該技術(shù)則太過困難用不能使用因?yàn)檫@類系統(tǒng)的測試序列一般都很長。例如通常用于測試擾頻數(shù)據(jù)系統(tǒng)的223-1偽隨機(jī)二進(jìn)制序列長度超過800萬比特對(duì)如此長的圖形進(jìn)行平均交叉測量很慢而且也不準(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)就要先找出測試系統(tǒng)引入的抖動(dòng)然后對(duì)測量進(jìn)行調(diào)整。把被測器件從測試裝置上拿掉并判定數(shù)據(jù)圖形每次轉(zhuǎn)換的抖動(dòng)可測出系統(tǒng)誤差然后把被測器件放回到測試系統(tǒng)再次測量抖動(dòng)值可通過算術(shù)方法判定出被測器件產(chǎn)生的抖動(dòng)。
這里介紹的平均交叉測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)測量僅采用常用測試設(shè)備就可進(jìn)行準(zhǔn)確可重復(fù)的抖動(dòng)測量。
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