一種新的高級抖動分離解析方法

A new analytic approach for advanced jitter separation

抖動分量的分析是現代通信系統調試中一項越來越重要的任務。一方面，不斷增長的數據傳輸速率，另一方面，電路板材料、連接器或組件的成本壓力是這種分析需求的驅動因素。本文描述了一種新開發的分離抖動分量的方法，為電子電路設計人員提供了調試和表征高速信號傳輸的強大工具。分離算法基于參數信號模型，為用戶提供被測器件（DUT）抖動特性的附加細節。

驗證抖動預算

數字接口不斷增長的數據速率和不斷縮小的電壓電平，再加上現代設計的復雜性和密度，增加了管理抖動預算的重要性。

驗證接口總抖動的一種方法是測量誤碼率（BER）。USB或PCI Express等高速接口的典型目標誤碼率為10-12。這意味著，規范允許1012位的序列僅允許一個錯誤傳輸的位。然而，使用誤碼測試儀驗證總抖動非常耗時，并且沒有提供關于單個抖動分量的詳細信息。

另一種方法是使用示波器。由于采集內存有限（最大個位數千兆采樣數），不可能直接測量某個誤碼率下的總抖動。下面的例子說明了這一點：對于數據速率為5 Gbps的1012位測試模式，波形采集時間為200秒。如果采樣率為20 gssample/s，則需要4 TB的采集內存。沒有示波器有如此深的采集存儲器。

解決這一困境的聰明辦法是在21世紀初發明了抖動分離（也稱為抖動分解）和隨后對總抖動的估計，這種方法的基本思想是總抖動由確定性和隨機性組成。確定性抖動是有界的，而隨機抖動是無界的，因此其峰值到峰值隨感興趣的誤碼率而變化。圖1顯示了BER浴缸曲線中這種抖動分量的映射。接收器采集數據的“睜眼”是單位間隔（UI）和總抖動的差值。

圖1：數字傳輸系統的誤碼率，以及主要的抖動分量DJ（確定性抖動）和RJ（隨機抖動）在單位間隔（UI）中加總的總抖動（TJ）。

Jitter components and their root causes

抖動分量及其根本原因

如上所述，總抖動由隨機和確定性抖動分量組成。圖2顯示了確定性抖動進一步細分為數據相關、周期性和其有界不相關抖動分量。了解信號中主要的抖動成分有助于工程師決定優化設計的措施。

不同的組成部分有不同的根本原因：

例如，隨機抖動取決于參考時鐘振蕩器的質量或半導體的熱噪聲。

周期性抖動通常是由開關電源（SMP）或振蕩器的干擾源引起的，或者暗示了PLL的穩定性問題。

碼間干擾主要與電路和信號傳輸路徑的傳輸損耗和有限帶寬有關，包括阻抗失配引起的反射。

占空比失真作為數據相關抖動的另一部分，暗示著信號邊緣的上升/下降時間不匹配或發射機或接收機中的偏移誤差。

其有界不相關抖動的典型根本原因最終是來自相鄰信號道的信號耦合（串擾）。

給出的例子表明，抖動分解是縮小設計問題和確定合適的成本效益解決方案的重要的第一步。

圖2：抖動組件概述

一種新的抖動分離方法

在過去的20年里，抖動分解的方法和算法不斷發展。最初的方法，如用于確定隨機抖動的尾部擬合和用于估計確定性抖動的雙Dirac模型仍然在使用，并且是某些接口規范的一部分。進一步分解確定性抖動的傳統方法將模擬波形采樣點的輸入信號信息減少為一組時間間隔誤差（TIE）測量值，如圖3所示。

Rohde&Schwarz的新抖動分解算法引入了一種基于參數信號模型的分析方法，該模型充分描述了被測傳輸鏈路的行為（圖3）。新方法的核心優點是這種新的信號模型利用了完整的波形特征，包括水平分量和垂直分量。將完整的波形信息用于分解處理，即使對于相對較短的信號序列，也可以獲得更準確和一致的測量結果。

圖3：傳統的基于TIE的抖動分解方法與Rohde&Schwarz的基于高級信號模型的抖動分解方法的比較。

新信號模型的核心元素是階躍響應，描述了信號的數據相關特性。此外，周期和隨機誤差項也包含在該信號模型中（圖4）。

對于分解，處理最小二乘（LS）估計器將輸入信號與信號模型進行比較，并在迭代過程中計算信號模型的參數。下一步，Rohde&Schwarz算法根據輸入信號的位序列，重建單個確定性抖動分量的合成波形（圖5）。然后，根據輸入信號與數據相關的周期性合成波形的差異，計算出隨機抖動。最后，用戶可以分析不同的抖動分量作為數值，或者在直方圖、跟蹤波形或頻譜視圖中查看。此外，還可以計算BER浴缸圖或數據眼圖進行深入分析。

圖4：描述完整波形特征的線性化信號模型

圖5：新的抖動分解過程：階躍響應計算是計算確定性抖動分量的基礎。在最后一步中，確定隨機抖動和OBUJ。

更深入地了解系統的抖動特性

新的抖動分解算法提供了所有常見抖動分量的信息。此外，新的信息，如階躍響應或垂直和水平周期性抖動的區別，現在是可用的。最后，合成的確定性抖動波形為結果分析提供了很高的靈活性。具有可選擇的確定性抖動分量的合成數據眼或有或無周期抖動分量的BER浴缸曲線只是一些例子。

由抖動分解計算得到的特征階躍響應是新的，對調試和優化設計非常有用。到目前為止，階躍響應只能用專用儀器如時域透射計（TDT）或矢量網絡分析儀來測量。階躍響應反映了傳輸鏈路的許多特性：上升時間與帶寬有關，過沖或阻尼響應指示頻率響應特性，或由于阻抗不匹配而暗示反射的電位差（圖6）。

圖6：使用計算的階躍響應時間來理解數據相關信道特性。

新的信號模型包括水平和垂直周期分量。這為用戶提供了非常有用的反饋，無論周期性抖動分量是來自基于幅度還是基于時間的調制。軟件報告每個檢測到的周期性抖動分量的水平或垂直方向，如圖7所示。此外，水平周期抖動分量的頻譜也可用于分析。

圖7：周期性抖動分量的水平方向和垂直方向的區別以及水平周期性抖動分量的功率譜密度（PSD）圖。

三步快速設置

新的Rohde&Schwarz抖動分解算法集成在R&S RTO和R&S RTP示波器的高級抖動分析選項K133中。

獲得第一個抖動結果的最簡單方法是“快速啟動分析”。自動執行所有設置，計算一組默認的抖動組件，并用預先選定的視圖顯示相應的結果。當然，以后還可以對設置和結果顯示進行用戶特定的調整。

或者，一個單獨的設置只需要三個步驟。第一步包括選擇信號源和信號類型，并定義時鐘數據恢復（CDR）。選擇DUT的相應技術（如USB 3.1 Gen 1）可簡化CDR設置（圖8）。

圖8：設置步驟1–定義信號類型并配置CDR。

在第二步中，配置分解的參數（圖9）。為此，必須選擇感興趣的抖動分量，并定義處理的階躍響應長度。選擇較長的長度可能會發現更多細節，例如遠處的反射，但也需要更多的計算時間。

圖9：設置步驟2–定義步驟響應長度并選擇抖動組件。

最后一步是配置結果顯示（圖10）。在這一步中，用戶必須為單個抖動分量在直方圖、軌跡或頻譜視圖之間進行選擇。此外，階躍響應、浴缸曲線和合成眼圖可供深入分析。在此之后，設置完成，通過打開“啟用”按鈕，分解處理將開始。

圖10：設置步驟3–選擇結果顯示

圖11顯示了不同結果視圖的示例。smartgrid功能允許使用拖放功能根據個人喜好排列圖表。

圖11:R&S RTP高性能示波器和R&S RTP-K133高級抖動分析選項的PCIe Gen3信號抖動分解結果顯示。

結論

Rohde&Schwarz抖動分解算法使用了一種先進的信號模型，該模型充分描述了輸入信號。即使對于相對較短的信號序列，用戶也能從準確的測量結果中獲益。關于被測信號的其結果細節為設計者提供了關于使用高速接口或快速時鐘信號的設備的驗證和調試的進一步見解。

總結

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