中心議題：

• 抖動(dòng)是邊沿較本應(yīng)位置的偏差
• 應(yīng)從整體BER角度了解系統(tǒng)的運(yùn)行方式
• 串?dāng)_問(wèn)題為實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)

解決方案：

• BUJ測(cè)量解決方案

串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)迅猛發(fā)展，大幅度改善了PC和服務(wù)器系統(tǒng)的性能。測(cè)試這些更高速的標(biāo)準(zhǔn)、找到抖動(dòng)證據(jù)，對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性及在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的誤碼率（BER）目標(biāo)至關(guān)重要。為高效進(jìn)行分析，首先要選擇適當(dāng)?shù)膬x器，很好地了解儀器噪聲、上升時(shí)間及三階諧波性能、四階諧波性能、五階諧波性能等因素。
　　
但還不僅僅是測(cè)量這么簡(jiǎn)單，合適的儀器必需與適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ吲涮资褂?。在測(cè)試8 Gb/s以上的串行數(shù)據(jù)速率時(shí)，還要考慮其它因素，如抖動(dòng)分離和去嵌/嵌入。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹存在串?dāng)_時(shí)的一種新的抖動(dòng)分離方法，隨著通路數(shù)量提高，以提升計(jì)算系統(tǒng)吞吐量，串?dāng)_問(wèn)題正越來(lái)越多?！　?br />
所有采用電壓跳變表示定時(shí)信息的電氣系統(tǒng)都有定時(shí)抖動(dòng)。在歷史上，電氣系統(tǒng)通過(guò)采用相對(duì)較低的信令速率來(lái)減緩定時(shí)抖動(dòng)（或簡(jiǎn)稱(chēng)為抖動(dòng)）的負(fù)面影響。隨著數(shù)據(jù)速率攀升到8 Gb/sec以上，抖動(dòng)占信令間隔的比重已經(jīng)很大，了解抖動(dòng)類(lèi)型和抖動(dòng)來(lái)源對(duì)成功部署高速串行技術(shù)非常關(guān)鍵?！　?br />
簡(jiǎn)單地說(shuō)，抖動(dòng)是邊沿與本應(yīng)位置相比的偏差，如圖1所示。根據(jù)ITU的定義，抖動(dòng) 是"數(shù)字信號(hào)在有效時(shí)點(diǎn)較理想時(shí)間位置的短期變化".
 

圖1  抖動(dòng)是邊沿較本應(yīng)位置的偏差　　

可以通過(guò)多種方式測(cè)量單個(gè)波形上的抖動(dòng)，包括周期性抖動(dòng)、周期間抖動(dòng)和時(shí)間間隔誤差（TIE），設(shè)計(jì)通常決定著哪種指標(biāo)合適。在獨(dú)立式振蕩器中，信號(hào)是時(shí)鐘，可能會(huì)跳頻或掃頻。這里，周期性抖動(dòng)是合適的指標(biāo)。在串行數(shù)據(jù)流的發(fā)射機(jī)中，信號(hào)是數(shù)據(jù)流，ISI（碼間干擾）是關(guān)鍵問(wèn)題。這里，TIE抖動(dòng)是合適的指標(biāo)?！　?br />
處理抖動(dòng)問(wèn)題的工程師有大量的儀器可以選擇，每種儀器都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)：　　

·         實(shí)時(shí)數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）恢復(fù)整個(gè)波形，可以測(cè)量任何指標(biāo)，可以用于TIE、周期到周期抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)測(cè)量。但它在頻率（或位速率）、解析頻譜、小的抖動(dòng)及多電平調(diào)制方面有局限性 .　　

·         BER測(cè)試儀（BERT）特別適合TIE抖動(dòng)，特別是TJ或總抖動(dòng)，這是TIE的一種形式。BERT的優(yōu)勢(shì)是它計(jì)數(shù)每個(gè)比特，但測(cè)試執(zhí)行起來(lái)耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)?！　?br />
·         實(shí)時(shí)頻譜分析儀（RTSA）可以用于周期間抖動(dòng)測(cè)量和周期性抖動(dòng)測(cè)量，支持移動(dòng)設(shè)備的復(fù)雜調(diào)制，查看時(shí)鐘、PLL,了解其動(dòng)態(tài)性能。其局限性包括跨度（低于100 MHz）和帶寬信號(hào)，具有大的調(diào)制頻譜?！　?br />
·         等效時(shí)間采樣示波器提供了最佳的帶寬，可以用于串行數(shù)據(jù)的所有抖動(dòng)測(cè)量。目前，這些示波器是唯一支持噪聲分析和BER眼圖的儀器。其局限性是沒(méi)有實(shí)時(shí)捕獲功能，只能用于重復(fù)的碼型，某些抖動(dòng)頻譜有假信號(hào)?！　?br />
人們經(jīng)常提出的一個(gè)問(wèn)題是如果我們最終只關(guān)心BER,那么為什么還要擔(dān)心抖動(dòng)。這是因?yàn)檠蹐D（寬度）閉上得太多時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤差。抖動(dòng)和噪聲分析工具可以迅速預(yù)測(cè)和分析BER中的問(wèn)題。最終，一切都?xì)w結(jié)于誤差，而消除設(shè)計(jì)中的這些誤差要求了解抖動(dòng)過(guò)高的一個(gè)或多個(gè)原因?！　?br />
首先應(yīng)從整體BER角度了解系統(tǒng)的運(yùn)行方式。示波器使用眼圖和統(tǒng)計(jì)分析，生成浴缸圖。之所以叫浴缸圖，是因?yàn)樵跇O限變化時(shí)，得到的圖形形狀像浴缸。在使用BERT儀器時(shí)，每個(gè)位的具體數(shù)量會(huì)得到一個(gè)抖動(dòng)峰值圖。如圖2所示，左面來(lái)自BERT的抖動(dòng)峰值與右面示波器抖動(dòng)浴缸圖幾乎完全等效。[page]
 

圖2   左面BERT 抖動(dòng)峰值與右面示波器抖動(dòng)浴缸之間的BER性能等效圖

鑒于結(jié)果緊密對(duì)準(zhǔn)，示波器成為BERT非常實(shí)用的補(bǔ)充，因?yàn)槭褂肂ERT測(cè)量直到BER=10-12的TJ會(huì)需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，結(jié)果并不能揭示哪類(lèi)問(wèn)題導(dǎo)致抖動(dòng)。示波器可以以智能方式測(cè)量少量數(shù)據(jù)，然后把抖動(dòng)劃分成各種抖動(dòng)成分，其一般采用圖3所示的公認(rèn)的抖動(dòng)模型。通過(guò)做出假設(shè)，示波器可以進(jìn)行TJ@BER計(jì)算，真實(shí)反映使用BERT獲得的結(jié)果，而所用時(shí)間只是BERT的幾分之一，也就是說(shuō)，如果所有假設(shè)都正確的話，所有復(fù)雜系統(tǒng)模型都做出假設(shè)和簡(jiǎn)化，因此模型和實(shí)際系統(tǒng)行為之間永遠(yuǎn)不會(huì)完全擬合。正如本文后面討論的那樣，目前，特別麻煩的一個(gè)問(wèn)題是串?dāng)_。
 

圖3   業(yè)內(nèi)抖動(dòng)模型：2001-2010　　

串?dāng)_問(wèn)題為實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)，大多數(shù)串行系統(tǒng)采用多條通路。隨著頻率和數(shù)據(jù)速率提高到10 Gb/s以上，少量的串?dāng)_就會(huì)吃光抖動(dòng)預(yù)算，產(chǎn)生定時(shí)問(wèn)題?！　?br />
在一個(gè)信號(hào)受到相鄰信號(hào)影響時(shí)，會(huì)發(fā)生串?dāng)_。在數(shù)據(jù)速率很高時(shí)，信號(hào)傳播方式更像是導(dǎo)波，而不是簡(jiǎn)單的DC電流。波由傳導(dǎo)軌跡引導(dǎo)，但通過(guò)介電介質(zhì)輻射，一般是FR4.當(dāng)存在一個(gè)以上的信號(hào)時(shí)，電路板上的每條傳導(dǎo)軌跡在其它每條軌跡上帶有假信號(hào)。公認(rèn)的術(shù)語(yǔ)是侵入信號(hào)會(huì)在被侵入信號(hào)上導(dǎo)致串?dāng)_。在引導(dǎo)被侵入信號(hào)的導(dǎo)體撿拾到侵入信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)生串?dāng)_。電路布線中不可避免的不連續(xù)點(diǎn)（如連接器和通路）是關(guān)鍵點(diǎn)，在生成串?dāng)_時(shí)，它們的行為方式類(lèi)似于天線。　　

實(shí)時(shí)采樣示波器和等效時(shí)間采樣示波器采用基于頻譜的抖動(dòng)分析技術(shù)，隔離各種抖動(dòng)成分。在實(shí)時(shí)采樣設(shè)備上，如果頻率成分沒(méi)有假信號(hào)，那么抖動(dòng)和電壓噪聲頻譜有副諧波峰值，它們會(huì)被涂抹到電路板諧振形狀中，而不是表現(xiàn)為銳線。在采樣不足的設(shè)備上，如頻譜帶有假信號(hào)的等效時(shí)間采樣示波器，串?dāng)_表現(xiàn)為連續(xù)的噪聲?！　?br />
在實(shí)時(shí)采樣示波器和等效時(shí)間采樣示波器中，這些基于頻譜的抖動(dòng)分析技術(shù)都通過(guò)對(duì)連續(xù)抖動(dòng)頻譜求積分來(lái)測(cè)量隨機(jī)抖動(dòng)（RJ），由于串?dāng)_定時(shí)效應(yīng)而夸大RJ.這會(huì)導(dǎo)致RJ提高，高估TJ.圖4顯示了示波器測(cè)量的抖動(dòng)，在本例中，示波器測(cè)量的DUT擁有大量的串?dāng)_。
 

圖4  與BERT相比，示波器中的TJ誤差。（注： RTO = 實(shí)時(shí)示波器，采樣 = 等效時(shí)間示波器）

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串?dāng)_在示波器中表現(xiàn)為有界不相關(guān)抖動(dòng)或BUJ,因?yàn)樗捎糜薪绶植?。?shù)據(jù)碼型的復(fù)雜性會(huì)使分布的有界特點(diǎn)變得模糊。1和0似乎隨機(jī)的分布會(huì)導(dǎo)致在每個(gè)侵入信號(hào)跳變上傳送不同數(shù)量的電壓噪聲。　　

對(duì)串?dāng)_引起的BUJ的靈敏度在不同測(cè)量系統(tǒng)之間而不同。示波器在測(cè)量或推斷抖動(dòng)時(shí)，會(huì)悲觀地把BUJ或NP-BUJ捆綁到RJ中，然后還會(huì)高報(bào)TJ.抖動(dòng)結(jié)果（RJ,TJ）主要取決于侵入信號(hào)碼型復(fù)雜性，PRBS31最差，而PRB7一般不會(huì)導(dǎo)致大的誤差。在實(shí)時(shí)示波器中，RJ和TJ結(jié)果還取決于記錄長(zhǎng)度，記錄長(zhǎng)度越長(zhǎng)，提供的樣點(diǎn)越多，抖動(dòng)分離能力越好。這一問(wèn)題的具體機(jī)制還與實(shí)現(xiàn)方案有關(guān)。　　

BUJ測(cè)量解決方案目前，在懷疑存在串?dāng)_時(shí)，有許多方法進(jìn)行抖動(dòng)分析，但沒(méi)有一種方法能夠像示波器為DDJ和PJ提供的結(jié)果那樣，提供單鍵測(cè)量結(jié)果。一條線索是抖動(dòng)分析儀器報(bào)導(dǎo)的RJ測(cè)量結(jié)果是不是異常大。熱效應(yīng)、也是RJ的最終成因，很少會(huì)超過(guò)3 ps RMS.如果報(bào)告的RJ大于3 ps,那么可能是串?dāng)_導(dǎo)致了問(wèn)題。　　

識(shí)別串?dāng)_的其它技巧要求更多地控制侵入信號(hào)信道。例如，如果有可能關(guān)閉懷疑的侵入信號(hào)，那么可以比較侵入信號(hào)信道上有信號(hào)和沒(méi)有信號(hào)時(shí)的RJ測(cè)量數(shù)據(jù)。如果有侵入信號(hào)的RJ大于沒(méi)有侵入信號(hào)的RJ,那么串?dāng)_就是問(wèn)題。解決方案是在Dual-Dirac模型中使用侵入信道關(guān)閉時(shí)測(cè)量的RJ及侵入信道打開(kāi)時(shí)測(cè)量的雙Dirac DJ,來(lái)估算相關(guān)BER下的總抖動(dòng)。這種方法的問(wèn)題在于，它要求控制侵入信號(hào)，而并非一直可能實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)問(wèn)題是它在非線性系統(tǒng)中是無(wú)效的（大多數(shù)發(fā)射機(jī)是非線性系統(tǒng)），其對(duì)誤差持樂(lè)觀態(tài)度，因?yàn)椴糠执當(dāng)_是無(wú)界的?！　?br />
更加先進(jìn)的方法是實(shí)現(xiàn)識(shí)別BUJ的抖動(dòng)分析算法，這涉及在分隔DDJ和PJ之后在抖動(dòng)分析中增加一個(gè)額外步驟，把NP-BUJ與RJ分開(kāi)，如圖5所示。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是這適用于每個(gè)場(chǎng)景，因?yàn)樗恍枰刂魄秩胄盘?hào)，非線性TX不會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。此外，無(wú)界串?dāng)_成分將正確識(shí)別為無(wú)界。這種方法的缺點(diǎn)是結(jié)果仍有一些悲觀。
 

圖5   識(shí)別BUJ的抖動(dòng)分析及得到的抖動(dòng)分解地圖

為測(cè)試抖動(dòng)分析算法把BUJ與其它隨機(jī)抖動(dòng)來(lái)源準(zhǔn)確分開(kāi)的能力，我們重復(fù)圖4所示的測(cè)試，但增加了等效時(shí)間采樣示波器采用識(shí)別BUJ的抖動(dòng)分析算法提供的結(jié)果。圖6中虛線表示的結(jié)果與BERT相比仍有些悲觀。實(shí)時(shí)示波器得到的結(jié)果還要更悲觀一些。也就是說(shuō)，報(bào)告的TJ誤差精度大幅度改善，即使在懷疑的串?dāng)_可能會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)和噪聲相關(guān)誤差時(shí)，仍有可能相信示波器的TJ測(cè)量。
 

圖6  識(shí)別BUJ的抖動(dòng)分析（虛線）算法顯示具有大量串?dāng)_的DUT上的精度明顯改善　　

小結(jié)隨著數(shù)據(jù)速率不斷提高，抖動(dòng)已經(jīng)占到信令間隔中非常大的比重，設(shè)計(jì)人員全面了解設(shè)計(jì)中抖動(dòng)類(lèi)型和抖動(dòng)來(lái)源越來(lái)越重要。由于大多數(shù)高速串行設(shè)計(jì)現(xiàn)在涉及多條通路，串?dāng)_幾乎是不可避免的結(jié)果，在抖動(dòng)預(yù)算中必須考慮串?dāng)_?！　?br />
但到目前為止，使用抖動(dòng)分離技術(shù)一直很難測(cè)量串?dāng)_引起的抖動(dòng)或有界不相關(guān)抖動(dòng)的影響。由于抖動(dòng)算法沒(méi)有考慮BUJ,因此BUJ一直與RJ歸并在一起，與BER測(cè)試儀獲得的結(jié)果相比，得到的是悲觀的總抖動(dòng)結(jié)果?！　?br />
正是認(rèn)識(shí)到這種日益增長(zhǎng)的問(wèn)題，特別是對(duì)10 Gb/s以上的數(shù)據(jù)速率，抖動(dòng)模型正在擴(kuò)展到包括BUJ,并增加識(shí)別BUJ的算法。在涉及大量串?dāng)_的測(cè)試中，實(shí)踐證明，新模型可以在實(shí)時(shí)示波器和等效時(shí)間采樣示波器上有效提供TJ結(jié)果，并與BERT得到的結(jié)果一致。它還可以更加全面地分析設(shè)計(jì)中的抖動(dòng)問(wèn)題，包括串?dāng)_引起的抖動(dòng)。