隨著數(shù)據(jù)速率的提高，時(shí)鐘抖動(dòng)分析的需求也在與日俱增。在高速串行數(shù)據(jù)鏈路中，時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)影響發(fā)射機(jī)、傳輸線和接收機(jī)的數(shù)據(jù)抖動(dòng)。時(shí)鐘質(zhì)量保證的測(cè)量方法也在不斷發(fā)展。目前的重點(diǎn)是針對(duì)比特誤碼率(BER) 建立時(shí)鐘性能和系統(tǒng)性能之間的直接聯(lián)系。

今天我們將探討參考時(shí)鐘的作用和時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)抖動(dòng)的影響， 并討論一種使用 Keysight E5001A 精確時(shí)鐘抖動(dòng)分析應(yīng)用軟件 ( 可在 E5052B 信號(hào)源分析儀上運(yùn)行 ) 的全新測(cè)量技術(shù)。該測(cè)量技術(shù)提供了前所未有的測(cè)量精度，可測(cè)量隨機(jī)抖動(dòng) (RJ) 并對(duì)隨機(jī)抖動(dòng)和周期抖動(dòng) (PJ) 分量進(jìn)行實(shí)時(shí)抖動(dòng)頻譜分析，以提升您的設(shè)計(jì)質(zhì)量。我們還探討了解決方案的實(shí)時(shí)測(cè)量功能，此功能可加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程。

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參考時(shí)鐘在高速串行應(yīng)用中的作用

圖 1 所示的是高速串行數(shù)據(jù)鏈路中的主要元器件。發(fā)射機(jī)通常將一組速率較低的并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流。信號(hào)經(jīng)過(guò)一條包括多個(gè)背板和電纜的傳輸通道進(jìn)行傳送。接收機(jī)通常會(huì)解釋輸入的串行數(shù)據(jù)，從中分離出時(shí)鐘，再把串行數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)流。在許多諸如此類的說(shuō)明中，參考時(shí)鐘更多地被視為一個(gè)組成部分但不是關(guān)鍵部分，但是在高速串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)比特率可達(dá)數(shù)吉比特，此時(shí)參考時(shí)鐘是一種關(guān)鍵部分。通常，參考時(shí)鐘的振蕩速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)速率，并在發(fā)射機(jī)中成倍增長(zhǎng)。發(fā)射機(jī)使用參考時(shí)鐘來(lái)確定串行數(shù)據(jù)流中的邏輯變換定時(shí)。發(fā)射的數(shù)據(jù)中包括參考時(shí)鐘的特征。在接收機(jī)中可能會(huì)出現(xiàn)兩種不同的情況。如果未分配參考時(shí)鐘，則接收機(jī)會(huì)利用鎖相環(huán) (PLL) 從數(shù)據(jù)流中還原時(shí)鐘— 并利用該時(shí)鐘定位采樣時(shí)間點(diǎn)。如果已分配參考時(shí)鐘，則接收機(jī)會(huì)同時(shí)使用數(shù)據(jù)信號(hào)和參考時(shí)鐘來(lái)定位采樣點(diǎn)。

圖 1. 參考時(shí)鐘的作用

圖 2. 時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)發(fā)射機(jī)的影響

圖 3. PLL 頻率響應(yīng)

時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)抖動(dòng)的影響

參考時(shí)鐘是最終的系統(tǒng)定時(shí)源。它為發(fā)射機(jī)、已分配和未分配的時(shí)鐘系統(tǒng)提供時(shí)基，而接收機(jī)的時(shí)鐘恢復(fù)電路可以重現(xiàn)參考時(shí)鐘特征。現(xiàn)在我們將探討時(shí)鐘抖動(dòng)如何在系統(tǒng)發(fā)射機(jī)中進(jìn)行傳輸。

發(fā)射機(jī)必須用適當(dāng)?shù)囊驍?shù)乘以參考時(shí)鐘獲得數(shù)據(jù)速率，才能確定邏輯變換定時(shí)。例如，對(duì)于 100 MHz 參考時(shí)鐘和 5 Gb/s 輸出信號(hào)，發(fā)射機(jī)將用PLL 給參考時(shí)鐘乘以因數(shù)50。PLL 乘法器不僅放大時(shí)鐘抖動(dòng)，還引入其自身的抖動(dòng)，主要是PLL 壓控振蕩器(VCO) 的RJ。頻率乘以因數(shù)n 的結(jié)果是相位噪聲功率載波比乘以n2，所以抖動(dòng)迅速變大。

發(fā)射機(jī)中的PLL 乘法器具有一定的頻率響應(yīng)，通常是如圖 3 所示的二階響應(yīng)。非均勻頻率響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)值得注意的問(wèn)題: 時(shí)鐘抖動(dòng)實(shí)際上有什么影響? 如果PLL 非常出色且?guī)挒榱?#xff0c;那么它將過(guò)濾掉所有的時(shí)鐘抖動(dòng)，從而為發(fā)射機(jī)提供無(wú)抖動(dòng)時(shí)基。當(dāng)然，零帶寬意味著無(wú)限鎖定時(shí)間，所以我們不得不綜合考慮，但是PLL 帶寬越窄，參考時(shí)鐘加入數(shù)據(jù)中的抖動(dòng)就越小。確定時(shí)鐘是否能在系統(tǒng)中正常工作且符合預(yù)期的BER 要求，需要對(duì)抖動(dòng)頻譜進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。

真實(shí)的抖動(dòng)源

如果觀察實(shí)際環(huán)境中的高速數(shù)字電路，您會(huì)發(fā)現(xiàn)許多抖動(dòng)源，如圖4所示。跟我們前面討論的一樣，時(shí)鐘信號(hào)通常分配給多個(gè)IC，時(shí)鐘頻率可能進(jìn)行乘法和/ 或除法運(yùn)算。即使我們假設(shè)來(lái)自晶體振蕩器的參考時(shí)鐘具有較低的抖動(dòng)， 但是由于IC 帶來(lái)的附加噪聲或其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾，經(jīng)過(guò)乘法或除法運(yùn)算的輸出時(shí)鐘也可能不是非常干凈。

開(kāi)關(guān)電源的噪聲是一個(gè)主要污染源，開(kāi)關(guān)頻率一般為100 kHz 到1MHz。開(kāi)關(guān)電源噪聲可能會(huì)注入時(shí)鐘信號(hào)線路，它在左下角的圖4 中顯示為PJ。

其他周期抖動(dòng)源可能是來(lái)自數(shù)據(jù)或時(shí)鐘線路的干擾，或是在時(shí)鐘線上的互調(diào)產(chǎn)物(見(jiàn)圖4)。只要PJ 分量出現(xiàn)在遠(yuǎn)離時(shí)鐘頻率處，就很有可能通過(guò)插入帶通濾波器(或低通濾波器) 來(lái)消除這些抖動(dòng)。然而，當(dāng)周期抖動(dòng)接近時(shí)鐘頻率時(shí)會(huì)遇到問(wèn)題，由于很難得到高頻高Q 濾波器。參考時(shí)鐘的RJ 也一樣，時(shí)鐘除法器可能增加寬帶噪聲，這可能會(huì)使輸出時(shí)鐘信號(hào)的RJ 增加。

要診斷各種問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員必須表征有關(guān)電路物理布局和/ 或工作環(huán)境下的時(shí)鐘抖動(dòng)。

圖 4. 實(shí)際環(huán)境中的抖動(dòng)源

通過(guò)相位噪聲測(cè)量技術(shù)表征時(shí)鐘抖動(dòng)

圖 5. 利用相位噪聲測(cè)量分析 RJ

在相位噪聲頻譜中可以看到 PJ 分量的毛刺。所以 PJ 頻率知識(shí)對(duì)于診斷問(wèn)題非常有幫助。參考每個(gè) PJ 頻率的 PJ rms 也能幫您了解每個(gè) PJ 分量對(duì)總體時(shí)鐘抖動(dòng)的影響，查看去除主要 PJ 分量之后總體抖動(dòng)的變化。(見(jiàn)圖 6)

圖 6. 相位噪聲測(cè)量的 PJ 頻率分量

通過(guò) E5052B 信號(hào)源分析儀 的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)量

與傳統(tǒng)的抖動(dòng)測(cè)量模式不同，帶有 E5001A 軟件的 E5052B 信號(hào)源分析儀 可以對(duì)相位噪聲測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析。該儀器使用PLL 提供參考源。它能夠自動(dòng)檢測(cè)時(shí)鐘頻率，在幾毫秒內(nèi)把內(nèi)置參考源自動(dòng)調(diào)諧為時(shí)鐘頻率，測(cè)量相位檢波器保持 PLL 所產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。通過(guò)可用于100 MHz 抖動(dòng)帶寬測(cè)量的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和用于頻域數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速傅立葉變換 (FFT)，它可以以 250 MSa/s 的速率捕獲噪聲信號(hào)，從而能顯著提高測(cè)量速度。例如，1 kHz 到 100 MHz 帶寬的測(cè)量每次只需0.3 秒。

圖 7. Keysight E5052B 信號(hào)源分析儀的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)

利用交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)獲得前所未有的低抖動(dòng)本底噪聲

E5052B 信號(hào)源分析儀抖動(dòng)測(cè)量分辨率和本底噪聲非常低，通常10Gbps速率時(shí)的RJ 本底噪聲僅為幾飛秒。由于ADC 的動(dòng)態(tài)范圍有限，且其內(nèi)部參考時(shí)基的殘余抖動(dòng)較大， 高性能(實(shí)時(shí)或采樣) 示波器的抖動(dòng)本底噪聲通常在一百飛秒上。E5052B 通過(guò)檢測(cè)基帶(其中較大的載波信號(hào)已消除) 的相位噪聲來(lái)保持寬動(dòng)態(tài)范圍。E5052B 利用兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部測(cè)量通道之間的獨(dú)特交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)，將抖動(dòng)測(cè)量極限擴(kuò)大到低于其內(nèi)部時(shí)基的殘余抖動(dòng)。(見(jiàn)圖7)。與目前的高性能示波器相比，E5052B 利用這種交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)把抖動(dòng)本底噪聲降低了100 倍到1000 倍。(見(jiàn)圖8)

圖 8. 利用交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)獲得的出色抖動(dòng)本底噪聲

實(shí)時(shí)仿真PLL 響應(yīng)

圖9 表示直接應(yīng)用于時(shí)鐘相位噪聲信號(hào)的PLL 響應(yīng)功能的結(jié)果。您可以看到如何消除頻譜的不同部分，使您可以分析與應(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)分析功能可加快您的設(shè)計(jì)進(jìn)程。E5052B SSA 可以導(dǎo)入任何PLL 響應(yīng)函數(shù)，使您可以輕松快速地仿真設(shè)備到設(shè)備的PLL 響應(yīng)。

圖 9. 仿真 PLL 響應(yīng)

總結(jié)

對(duì)于高速串行數(shù)據(jù)應(yīng)用，時(shí)鐘抖動(dòng)分析的主要目的是確定參考時(shí)鐘的抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)比特誤碼率的影響。最精確的方法是使用在時(shí)鐘應(yīng)用中最壞情況下發(fā)射機(jī)(和 接收機(jī)) 的傳遞函數(shù)，并測(cè)量獲得的時(shí)鐘 RJ 和 PJ。在 E5052B 信號(hào)源分析儀 上運(yùn)行的 E5001A 精確時(shí)鐘抖動(dòng)分析軟件改變了傳統(tǒng)的抖動(dòng)測(cè)量方式，它不僅能以飛秒級(jí)分辨率對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)進(jìn)行全面分析，而且具有出色的易用性和實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析功能，可以幫助您加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的fft之后求模值和相位_如何利用相位噪声测量表征时钟抖动来加速设计验证过程...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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