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

今天我們將探討參考時鐘的作用和時鐘抖動對數(shù)據(jù)抖動的影響， 并討論一種使用 Keysight E5001A 精確時鐘抖動分析應(yīng)用軟件 ( 可在 E5052B 信號源分析儀上運行 ) 的全新測量技術(shù)。該測量技術(shù)提供了前所未有的測量精度，可測量隨機抖動 (RJ) 并對隨機抖動和周期抖動 (PJ) 分量進行實時抖動頻譜分析，以提升您的設(shè)計質(zhì)量。我們還探討了解決方案的實時測量功能，此功能可加快設(shè)計驗證過程。

************** Keysight World 2020 (Shanghai） 邀請函 ****************是德科技：Keysight World 2020 Shanghai 誠邀乘風破浪的創(chuàng)新者們共探未來

Keysight World 注冊報名?keysightworld2020.smarket.com.cn

參考時鐘在高速串行應(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)射機通常將一組速率較低的并行信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流。信號經(jīng)過一條包括多個背板和電纜的傳輸通道進行傳送。接收機通常會解釋輸入的串行數(shù)據(jù)，從中分離出時鐘，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明中，參考時鐘更多地被視為一個組成部分但不是關(guān)鍵部分，但是在高速串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)比特率可達數(shù)吉比特，此時參考時鐘是一種關(guān)鍵部分。通常，參考時鐘的振蕩速率遠遠低于數(shù)據(jù)速率，并在發(fā)射機中成倍增長。發(fā)射機使用參考時鐘來確定串行數(shù)據(jù)流中的邏輯變換定時。發(fā)射的數(shù)據(jù)中包括參考時鐘的特征。在接收機中可能會出現(xiàn)兩種不同的情況。如果未分配參考時鐘，則接收機會利用鎖相環(huán) (PLL) 從數(shù)據(jù)流中還原時鐘— 并利用該時鐘定位采樣時間點。如果已分配參考時鐘，則接收機會同時使用數(shù)據(jù)信號和參考時鐘來定位采樣點。

圖 1. 參考時鐘的作用

圖 2. 時鐘抖動對發(fā)射機的影響

圖 3. PLL 頻率響應(yīng)

時鐘抖動對發(fā)射機數(shù)據(jù)抖動的影響

參考時鐘是最終的系統(tǒng)定時源。它為發(fā)射機、已分配和未分配的時鐘系統(tǒng)提供時基，而接收機的時鐘恢復(fù)電路可以重現(xiàn)參考時鐘特征?，F(xiàn)在我們將探討時鐘抖動如何在系統(tǒng)發(fā)射機中進行傳輸。

發(fā)射機必須用適當?shù)囊驍?shù)乘以參考時鐘獲得數(shù)據(jù)速率，才能確定邏輯變換定時。例如，對于 100 MHz 參考時鐘和 5 Gb/s 輸出信號，發(fā)射機將用PLL 給參考時鐘乘以因數(shù)50。PLL 乘法器不僅放大時鐘抖動，還引入其自身的抖動，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，所以抖動迅速變大。

發(fā)射機中的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)會產(chǎn)生一個值得注意的問題: 時鐘抖動實際上有什么影響? 如果PLL 非常出色且?guī)挒榱?#xff0c;那么它將過濾掉所有的時鐘抖動，從而為發(fā)射機提供無抖動時基。當然，零帶寬意味著無限鎖定時間，所以我們不得不綜合考慮，但是PLL 帶寬越窄，參考時鐘加入數(shù)據(jù)中的抖動就越小。確定時鐘是否能在系統(tǒng)中正常工作且符合預(yù)期的BER 要求，需要對抖動頻譜進行詳細測試。

真實的抖動源

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

開關(guān)電源的噪聲是一個主要污染源，開關(guān)頻率一般為100 kHz 到1MHz。開關(guān)電源噪聲可能會注入時鐘信號線路，它在左下角的圖4 中顯示為PJ。

其他周期抖動源可能是來自數(shù)據(jù)或時鐘線路的干擾，或是在時鐘線上的互調(diào)產(chǎn)物(見圖4)。只要PJ 分量出現(xiàn)在遠離時鐘頻率處，就很有可能通過插入帶通濾波器(或低通濾波器) 來消除這些抖動。然而，當周期抖動接近時鐘頻率時會遇到問題，由于很難得到高頻高Q 濾波器。參考時鐘的RJ 也一樣，時鐘除法器可能增加寬帶噪聲，這可能會使輸出時鐘信號的RJ 增加。

要診斷各種問題，設(shè)計人員必須表征有關(guān)電路物理布局和/ 或工作環(huán)境下的時鐘抖動。

圖 4. 實際環(huán)境中的抖動源

通過相位噪聲測量技術(shù)表征時鐘抖動

圖 5. 利用相位噪聲測量分析 RJ

在相位噪聲頻譜中可以看到 PJ 分量的毛刺。所以 PJ 頻率知識對于診斷問題非常有幫助。參考每個 PJ 頻率的 PJ rms 也能幫您了解每個 PJ 分量對總體時鐘抖動的影響，查看去除主要 PJ 分量之后總體抖動的變化。(見圖 6)

圖 6. 相位噪聲測量的 PJ 頻率分量

通過 E5052B 信號源分析儀 的先進體系結(jié)構(gòu)進行實時抖動測量

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

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

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

E5052B 信號源分析儀抖動測量分辨率和本底噪聲非常低，通常10Gbps速率時的RJ 本底噪聲僅為幾飛秒。由于ADC 的動態(tài)范圍有限，且其內(nèi)部參考時基的殘余抖動較大， 高性能(實時或采樣) 示波器的抖動本底噪聲通常在一百飛秒上。E5052B 通過檢測基帶(其中較大的載波信號已消除) 的相位噪聲來保持寬動態(tài)范圍。E5052B 利用兩個獨立的內(nèi)部測量通道之間的獨特交叉關(guān)聯(lián)技術(shù)，將抖動測量極限擴大到低于其內(nèi)部時基的殘余抖動。(見圖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)把抖動本底噪聲降低了100 倍到1000 倍。(見圖8)

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

實時仿真PLL 響應(yīng)

圖9 表示直接應(yīng)用于時鐘相位噪聲信號的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。E5052B 對相位噪聲測量的實時抖動分析功能可加快您的設(shè)計進程。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)

對于高速串行數(shù)據(jù)應(yīng)用，時鐘抖動分析的主要目的是確定參考時鐘的抖動對系統(tǒng)比特誤碼率的影響。最精確的方法是使用在時鐘應(yīng)用中最壞情況下發(fā)射機(和 接收機) 的傳遞函數(shù)，并測量獲得的時鐘 RJ 和 PJ。在 E5052B 信號源分析儀 上運行的 E5001A 精確時鐘抖動分析軟件改變了傳統(tǒng)的抖動測量方式，它不僅能以飛秒級分辨率對時鐘抖動進行全面分析，而且具有出色的易用性和實時抖動分析功能，可以幫助您加快設(shè)計驗證過程。

E5052B SSA 信號源分析儀，10 MHz 至 7 GHz、26.5 GHz 或 110 GHz?www.keysight.comE5001A SSA-J Precision Clock Jitter Analysis Software?www.keysight.com

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...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。