数字系统抖动测试技术.pdf

May 25, 2012 Confidentiality Label 1 数字系统 抖动测试分析技术 Agilent OPD MDM: Huang Teng Huang_teng@ 18621167993 目录 抖动 的概念 抖动 的成因 深入了解抖动 抖动的分析方法 抖动测试分析方案 什么 是抖动 ?  定义 : “一个信号在跳变时，相对于理想位置的偏移”  快过 10Hz的偏离为 : 抖动 Jitter  慢过 10Hz的偏离为 : 漂移 Wander  参考 : ITU-T Recommendation G.810 (08/96) “Definitions and Terminology for Synchronization Networks” 抖动 vs 漂移 抖动 vs 相位噪声 vs 频率噪声  假设： W(t) = W(2pfdt + j(t))  W(t) = 带有相位调制的波形函数  fd = 波形函数的频率  j(t) =相位调制函数 Ide al clock:Jittere d clo ck:)2sin ( tfcp )2si n(2si n10134tftfccppp )2sin (10134tfcppJitter:UI32 抖动波形函数 J(t) = j(t)  抖动 J= Dj, Dj = 相位噪声  相位 F(t) = 2pfdt + j(t)  频率 f(t) = F(t) = fd + j(t)  频率噪声 Df = f(t) - fd = j(t) = J(t)  所以抖动的变化与相位的变化成正比， 而抖动的变化率在频谱上以频率噪声的方式显现出来。

p21p21dtd p21dtdp21dtdp21dtd目录 抖动 的概念 抖动 的成因 深入了解抖动 抖动的分析方法 抖动测试分析方案 Transmitter Receiver •Thermal Noise (RJ) •DutyCycle Distortion (DCD) •Power Supply Noise (RJ, PJ) •On chip coupling (PJ, ISI) •Lossy interconnect (ISI) •Impedance mismatches (ISI) •Crosstalk (PJ) •Termination Errors (ISI) •Reference Clock 小结： 抖动 的成因 抖动 的成因  热 噪声  注 入噪声 (EMI/RFI)  线路 不稳定性  上游时钟  （其 它） 热 噪声  随机 性的 , 是 多个随机抖动源的组合性现象  因为  内部 热能现象  Flicker Noise, Shot Noise  热 能的原子与分子振动  分子的解体  外部 的宇宙射线  因热噪声所导致的抖动的分布是高斯与无边际的  确定 性的 , 能 被确认为一些固有的成因  例如： 电源  地噪声  Vdd 噪声  例如： 晶振 – 热 能的与机器性的噪声  例如： 由相邻通道的时钟或数据跳变所造成的电磁性串扰  码间干扰 ISI: 不同长度的连续 “1”与“ 0”在带宽有限的系统中受到不同的衰减，导致长连续的 “1”或“ 0”到达比短 “1”与短“ 0”更高的电平，在接续这些长 “1”或长“ 0”后的跳变，信号需要比短 “1”与短“ 0”更多的时间才能到达门限电平，这些时间上的偏离就导致信号的抖动，不同长短 “1”与“ 0”之间的干扰导致数据相关抖动即 ISI。

 占空比失真 DCD: 因上升沿速率与下降沿速率的不对称性所造成的时钟周期上的偏离，即占空比失真  确定 性抖动分布是有边际的，其频谱通常呈现抖动源的各个谐波  例如： 电源干扰所造成的周期性抖动 Pj, 在频谱上通常呈现其基频的多次谐波  例如： 通常使用重复的码形来检验系统的 ISI， 因为码形是周期性重复的，在频谱将呈现为固定间距的多次谐波 注 入噪声 C _ co m pL _ p k g R _ p k gC _ p k g1234F a l lR i s e5电路 的不稳定性  PLL问题  有限 的锁相环带宽 – 锁 相环只能跟踪在其带宽以下的低频抖动，一般不能承受高频的抖动  检定 器的死区振动 – 连续 相同的 NRZ码 不造成任何的信号跳变 , 在 此情况下，PLL的 VCO频率会 向其自然的晶体频率而漂移  同 步开关噪声  当 多个输出端同时开关至同一的状态时，往往会产生电流上的毛刺，继而导致 Vcc与 GND的 毛刺，与判断门限电压的偏移  互连 阻抗不连续，互连损耗  （ 其他） 上游的参考时钟  收发器发送的数据是以参考时钟为基准的，如果参考时钟抖动过大。

小问题  测量一个 2.5Gbps的通过长互连传输后的信号， 眼图如右图 如何查找到抖动的源泉？ 目录 抖动 的概念 抖动 的成因 深入了解抖动 抖动的分析方法 抖动测试分析方案 常见 的抖动 术语 P2 P3 P4 P1 Period Jitter = 18.3ps RMS (0.990/1.010/0.980/1.020) Period-Period(Cy-Cy) Jitter = 36.1ps RMS (0.020/-0.030/0.040) TIE = 9.6ps RMS (-0.010/0.000/-0.020/0.000) 0.990ns 1.010ns 0.980ns 1.020ns 0.0ns 0.990ns 2.000ns 2.980ns 4.000ns 0.020ns -0.030ns 0.040ns -0.010ns 0.000ns -0.020ns 0.000ns period cy-cy TIE  随机抖动的统计分布是正态高斯分布  直方图 (有限的采样数 ) ↔ 概率密度函数 pdf呈现高斯分布(数学的模型 )  因为随机抖动是高斯分布，所以是无边际的。

按理论，随机抖动的峰峰值随测量时间变长而增加  所以随机抖动的衡量参数是 均方根值 RMS（ 即 s） 随机 抖动 RJ  确定性抖动不是高斯分布，通常是有边际的  直方图 = pdf概率密度函数  确定性抖动的衡量参数用峰峰值 PK-PK 确定 性抖动 DJ RJ DJ  TIE vs. time 时间间距误差随时间的变化是一重复的，周期性波形  效果等同于频率调制 FM  可能的抖动源 – 电源的 EMI干扰与扩频时钟 SSC的调制信号 周期性 抖动 PJ  不对称的上升边沿速率与下降边沿速率  不适当的判断门限选择 占 空比失真 DCD  ISI又称为 DDj数据相关抖动或 PDj码型相关抖动  因为有限的带宽限制  驱动器 Driver  对比器 Comparator  PCB线路与电缆的散射（衰减、损耗、阻抗不连续性导致的反射） 对经常切换的“ 1,0,1,0,… ” 的高频信号，衰减比连续的“ 1,1,1,1,0,0,0,0,… ”的低频信号要来得厉害所以长的连续不变码到达更高的电平，在跳变时需要更多的时间才能到达门限电平，导致信号抖动。

因为这个抖动的幅度与码型相关，所以又称码型相关抖动  因为阻抗不匹配导致信号反射反射的信号叠加在原来的信号导致幅度增加而最终使转换电平所耗费的时间更多，从而产生抖动 码 间干扰 ISI DDJ 不一样的电平 抖动 的组成结构  Total Jitter (Tj)总体抖动  Random Jitter (Rj) 随机抖动  Deterministic Jitter (Dj) 确定性抖动  Periodic Jitter (Pj) 周期性抖动 (注意：与周期抖动 Period Jitter不同 )  Duty Cycle Distortion (DCD)占空比失真  Inter-Symbol Interference (ISI or DDJ)码间干扰，数据相关抖动 = 总体抖动 TJ  若两个变量是独立的 , 两个独立变量之和的概率密度函数 pdf是两者的概率密度函数的卷积 pdf: Tj = Dj Rj (convolution) Dj = m+ - m- 眼睛 张开度 vs 误 码率 pdf 1 pdf 2 cdf 2 0.5UI 1 2 A B C 0UI 1UI Eye open for BER @ 1.0E-12 - 0.5UI 1.5UI cdf 1 1 1 0 0UI 1UI Sample Time t JT(t,W, s) t = Sample Time; W = Pk-Pk of Dj; s = RMS of Rj, TD = Transition Density of a bit JT(t - UI,W, s) Jitter pdf shifted 1 UI LBER(t,W, s) = TD *  + t JT(t,W, s) dt RBER(t,W, s) = TD *  t - JT(t,W, s) dt + TBER (t,W, s) = LBER (t,W, s) + RBER (t,W, s) 由于右边信号跳变所造成的误码 由于左边信号跳变所造成的误码 考虑一接收器在某一时刻 t, 进行信号取样，错误地读取一个 bit而产生误码的概率为： 将右边信号跳变误当为左边的而导致误码 将左边信号跳变误当为右边的而导致误码 误码率的计算  Bathtub曲线的中部大部分地受到 Rj的影响  靠向眼睛交叉点较大地受到 Dj影响  在既定的 BER水平下， Dj的 Pk-Pk值与 Rj的标准偏差值影响眼睛的张开度 Bathtub曲线 27 Which Eye Has Worse Jitter? You can’t know unless you measure the Total Jitter or its components! Jitter Evaluation: Eye Diagram 目录 抖动 的概念 抖动 的成因 深入了解抖动 抖动的分析方法 抖动测试分析方案 29 抖动分析与测量：艺术还是技术？ 我们有标准来衡量电压 … 但 对于信号边沿 … 那么我们如何将抖动作为一个现实的波形参数进行测量呢？ 30 抖动的分离 (拟合 PDF的尾部， tail fit) mRmLsRsLDJ 抖动分析与测量：艺术还是技术？ 31 双迪拉克法（ Dual-Dirac model）通过快速的 BERT扫描 Use the complementary error function to fit the tails of the partial BERTscan • Inspired by Gaussian RJ and bounded DJ: Interpret the parameters as the Gaussian mean 。