在這篇文章中我們深入討論一下高速信號(hào)中最主要的方面——抖動(dòng)。在上一篇中我們知道現(xiàn)在數(shù)字電路發(fā)展的趨勢(shì)是并行向串行發(fā)展,而串行速率也在不斷的提高,下圖是流行的串行總線發(fā)展趨勢(shì)圖:
圖:高速串行總線發(fā)展趨勢(shì)
抖動(dòng)的定義:“信號(hào)的某特定時(shí)刻從其理想時(shí)間位置上的短期偏離為抖動(dòng)”。
參考: Bell Communications Research, Inc (Bellcore), “Synchrouous Optical Network (SONET) Transport Systems: Common Generic Criteria, TR-253-CORE”, Issue 2, Rev No. 1, December 1997
分析一下抖動(dòng)的定義,有兩個(gè)要點(diǎn):抖動(dòng)是時(shí)間的誤差;抖動(dòng)是實(shí)際與理想之間的誤差。因此,在測(cè)試抖動(dòng)的時(shí)候,我們需要明確這是一個(gè)時(shí)間量的測(cè)試;并且需要找到與之比較的理想信號(hào)。
越來越快的數(shù)據(jù)率意味著承載信息的比特位的時(shí)間長度(Unit Interval)會(huì)越來越短。對(duì)于1Gbps的LVDS信號(hào),100ps Pk-Pk的抖動(dòng)也許不算什么;但是對(duì)于PCIE Gen2.0,100ps pk-pk的抖動(dòng)意味著會(huì)占據(jù)一半的UI。而Receiver數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)恰好位于50%UI的位置,100ps的抖動(dòng)對(duì)PCIE Gen2是不能接受的。
抖動(dòng)的類型有很多,不同的定義之間會(huì)有很大的差別。通常我們會(huì)在“抖動(dòng)”這個(gè)術(shù)語前面增加一些限定詞:如TIE抖動(dòng)、cycle-cycle抖動(dòng)、period jitter等。根據(jù)抖動(dòng)的測(cè)試對(duì)象不同,我們可以簡(jiǎn)單的把抖動(dòng)分為時(shí)鐘抖動(dòng)、數(shù)據(jù)抖動(dòng);時(shí)鐘抖動(dòng)中可以細(xì)分為period jitter、cycle-cycle jitter;數(shù)據(jù)抖動(dòng)主要是TIE。
TIE(Time interval Error)顧名思義及時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)各個(gè)條邊沿和理想信號(hào)條邊沿之間的差異。那么何謂理想的信號(hào)呢?我們想象一個(gè)數(shù)據(jù)率為2.5Gbps的理想信號(hào),其一個(gè)UI的寬度是數(shù)學(xué)意義上的400ps;實(shí)際的測(cè)試值多少會(huì)偏離這個(gè)理想的情況。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,理想的數(shù)據(jù)都是通過CDR之后的得到的clock來計(jì)算的。我們可以回憶一下上一節(jié)討論到的CDR的意義。
圖:數(shù)據(jù)TIE的定義。t1,t2,t3...為TIE樣本
我們?cè)趯?shí)際工作中是怎么測(cè)量抖動(dòng)的呢?Long long ago, there was no jitter analysing software...
圖:利用示波器基本功能進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試
利用觸發(fā)將信號(hào)穩(wěn)定在示波器上,測(cè)量觸發(fā)邊沿下一個(gè)周期的、過參考電平處的信號(hào)分布。圖上藍(lán)色的圖形(直方圖)反映了抖動(dòng)的分布??梢詼y(cè)量直方圖的pk-pk,RMS,Mean等等。這種方法簡(jiǎn)單易行,新老咸宜,既是使用最老信號(hào)的Tek示波器都可以做出這樣的測(cè)試。但是這種測(cè)試方法存在的很大的誤差,測(cè)試的時(shí)間越長、積累的波形越多,抖動(dòng)的pk-pk就會(huì)越大。因此,這種測(cè)試方法僅僅適合粗略的觀測(cè)?;仡櫼幌耇IE抖動(dòng)的定義,就會(huì)明白這里并沒有涉及到理想的信號(hào)。
另外一種方法是利用到示波器的內(nèi)存長度,結(jié)合分析軟件,對(duì)示波器所采集的信號(hào)進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試以及分析。例如Tek提供的DPOJET抖動(dòng)、眼圖和時(shí)序測(cè)試平臺(tái)軟件,除了能夠完成各種類型抖動(dòng)測(cè)試之外,還提供了分析的抖動(dòng)分析功能。
圖:抖動(dòng)分析
這張樹狀圖是最基本的抖動(dòng)分析圖,將最終系統(tǒng)的誤碼率分解為兩個(gè)部分:總抖動(dòng)和總噪聲。在總抖動(dòng)中,根據(jù)引起抖動(dòng)的不同原因,又將抖動(dòng)分為隨機(jī)抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)。
隨機(jī)抖動(dòng)(Random Jitter)在統(tǒng)計(jì)上服從高斯分布,其干擾源可能是存在在芯片中成千上萬個(gè)MOS管中正在的向空穴中移動(dòng)的電子;或是外在的背景輻射噪聲。(最好祈禱隨機(jī)抖動(dòng)不要太大,否則很難保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo))
確定性抖動(dòng)處理起來就好辦多了,畢竟他們都是有章可循的。每一種確定性抖動(dòng)都會(huì)對(duì)應(yīng)著固定的干擾源,我們從他們的名字上就能知道他們所代表的含義,不是么?