信號完整性系列之十六——高速互聯(lián)鏈路中參考時鐘的抖動分析與測

1、(按: 最近經(jīng)常遇到工程師在電話或郵件中問起時鐘抖動測量相關(guān)的話題。為此，本周我們和大家分享發(fā)表于EETimes2010年4月份的高速互聯(lián)鏈路中參考時鐘的抖動分析與測量。 本文是力科和中興通訊高速信號測試技術(shù)聯(lián)合實驗室合作的成果。作者是中興的陳明華和力科的張昌駿。希望能對時鐘抖動關(guān)注的朋友有所幫助。如果您有關(guān)于時鐘抖動測量方面的問題，歡迎隨時和我溝通。) 中心議題： 時鐘抖動及測試方法的介紹和探討 時鐘抖動的分解 時鐘抖動測試注意事項摘要在高速互聯(lián)鏈路中，發(fā)送器的參考工作時鐘的抖動是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。本文對時鐘抖動的主要概念、測試方法及注意事項、測試難點進(jìn)行分析和探討。高速互聯(lián)鏈

2、路介紹任何一個通信鏈路都包含三個部分：發(fā)送器（TX）、媒質(zhì)（信道）、接收器（RX）。對于高速的串行互聯(lián)鏈路也包含這三個部分，如下圖1所示為一個典型的高速互聯(lián)鏈路的結(jié)構(gòu)圖。其中發(fā)送器包括了：并行轉(zhuǎn)換串行、編碼（比如8b10b編碼）、發(fā)送信號優(yōu)化（如預(yù)加重）、發(fā)送驅(qū)動等功能。接收器包括了：時鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)恢復(fù)、接收信號優(yōu)化（如均衡）、串行轉(zhuǎn)化并行、解碼等功能。傳輸通道則由印刷電路板的走線、過孔、連接器、插卡的金手指、電纜、光纖等組成。從整個鏈路的組成來看，發(fā)送器參考時鐘的抖動在串并轉(zhuǎn)換時就引入到整個鏈路中，影響著TX端發(fā)送出的數(shù)據(jù)的抖動，而接收器要從這些數(shù)據(jù)中恢復(fù)出時鐘來進(jìn)行后續(xù)的處理?？梢钥闯霭l(fā)送

3、器參考時鐘的性能對整個鏈路的性能起到很關(guān)鍵的作用。本文從時鐘抖動的相關(guān)概念、測試實例、測試注意事項、測試難點幾方面對時鐘抖動測試進(jìn)行分析和探討。 三種時鐘抖動的定義，峰峰值與有效值時鐘抖動通常分為時間間隔誤差（Time Interval Error，簡稱TIE），周期抖動（Period Jitter）和相鄰周期抖動（cycle to cycle jitter）三種抖動。 圖2：TIE Jitter抖動和TIE Jitter trackTIE又稱為phase jitter，是信號在電平轉(zhuǎn)換時，其邊沿與理想時間位置的偏移量。理想時間位置可以從待測試時鐘中恢復(fù)，或來自于其他參考時鐘。如圖2所示TIE

4、抖動的示意圖，I1、I2、I3、In-1、In是時鐘第一個到第n個上升沿與理想時間位置的偏差，將I1、I2到In進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，在所有樣本的找出最大值和最小值，兩者相減可以得到TIE抖動的峰峰值，即： 假設(shè)N為測量的樣本總數(shù)，抖動的平均值可表示為： 抖動的有效值（即RMS值）為所有樣本的1個Sigma值，即： 周期抖動（Period Jitter）是多個周期內(nèi)對時鐘周期的變化進(jìn)行統(tǒng)計與測量的結(jié)果。如圖3所示的P1、P2、Pn-1、Pn為多個周期內(nèi)時鐘的周期數(shù)值，對這些數(shù)值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，同理，與TIE抖動的峰峰值和有效值計算方法相同，把P1到Pn中的最大值減去最小值，得到周期抖動的峰峰值，把P1到

5、Pn進(jìn)行1個Sigma運算，得到周期抖動的RMS值。相鄰周期抖動（Cycle to cycle jitter）是時鐘相鄰周期的周期差值進(jìn)行統(tǒng)計與測量的結(jié)果。如圖4所示，后一時鐘周期減去前一時鐘后作為統(tǒng)計的樣本，C1=P2-P1, C2=P3-P2, Cn-1 = Pn - Pn-1，把C1到Cn1進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，同理，可以計算出Cycle to cycle jitter的峰峰值和RMS值。 圖3：Period Jitter抖動和Period Jitter track圖4：Cycle to Cycle Jitter抖動和Jitter track在上述三種常見的時鐘抖動中，對于串行總線，通常是測量T

6、IE抖動，比如高速收發(fā)器TX端的參考時鐘。對于并行電路，通常是測量其時鐘的周期抖動和相鄰周期抖動，比如DDR SDRAM、PC主板上的FSB等等。在圖2、圖3、圖4中的紅色曲線橫軸是時間，縱軸是對應(yīng)周期的抖動數(shù)值，該曲線反映了抖動隨時間變化的趨勢，稱為抖動跟蹤（Jitter track）；將每個周期的抖動值（比如TIE抖動的I1、I2In）作統(tǒng)計直方圖，可以得到抖動直方圖（Jitter Histogram）；將抖動跟蹤做快速傅立葉變換（FFT）計算可以得到抖動頻譜（Jitter Spectrum）。抖動跟蹤是抖動在時域的表現(xiàn)形式，抖動頻譜是抖動在頻域的表現(xiàn)形式，抖動直方圖是抖動在統(tǒng)計域的表現(xiàn)形

7、式。各種測試儀器和分析軟件對于抖動的測量和分析都是在這三個域中實現(xiàn)的。如下圖5為某100MHz時鐘在時域、頻域、統(tǒng)計域分析其TIE抖動的示意圖。左上角的F2為某100MHz時鐘，P1是時鐘的TIE參數(shù)測量；右上角的F3是TIE抖動的直方圖，直方圖不是高斯分布，可見時鐘存在固有抖動。 圖5：時鐘抖動在時域、頻譜、統(tǒng)計域的分析左下角的F4為TIE track（即TIE抖動隨時間變化的趨勢），從TIE Track中可以看到周期性的變化趨勢；右下角的F5是F4的FFT運算，即抖動的頻譜，頻譜的峰值頻率為515kHz，說明該時鐘的周期性抖動（PJ）的主要來源為515kHz，找到頻點后，可以查找電路板上主

8、頻或諧波為該頻率的芯片和PCB走線，進(jìn)一步調(diào)試與分析。時鐘抖動的分解時鐘抖動的峰峰值和RMS值僅反映了抖動在統(tǒng)計上的數(shù)值，并沒有分析抖動的來源。對于時鐘抖動分解，業(yè)內(nèi)通常把抖動分解為：總體抖動（TJ）、確定性抖動（DJ）、隨機抖動（RJ）、周期性抖動（PJ）、占空比失真（DCD）等等。如下圖6所示為各種抖動的關(guān)系圖。 圖6：抖動的分解示意圖TJ及其各種成分，都是針對TIE的。如前文所說，TIE反映了被測時鐘與理想時鐘的偏差。TIE抖動的峰峰值為隨著測試樣本數(shù)的增加不斷增大（隨機抖動因素引起的），TJ是和誤碼率聯(lián)系起來的，通常誤碼率為10E-12，即通常所說的TJ是10的12次方個樣本的TIE抖

9、動的峰峰值。TJ包括了RJ和DJ，而DJ包括了PJ、DCD、BUJ（其它有界的數(shù)據(jù)不相關(guān)性抖動）。對于單邊沿來同步與定時的時鐘，DCD不算做抖動（當(dāng)然，絕大多數(shù)時鐘都只用其上升沿）。RJ會隨著樣本數(shù)的增多不斷增大，其直方圖滿足高斯分布，通常用其統(tǒng)計后的1個Sigma或RMS值來表示，在抖動測試儀器中得到的RJ通常為RMS值。隨機抖動的來源為熱噪聲、Shot Noise和Flick Noise，與電子器件和半導(dǎo)體器件的電子和空穴特性有關(guān)，比如ECL工藝的PLL比TTL和CMOS工藝的PLL有更小的隨機抖動。DJ是有邊界的、確定性的抖動，來源為：開關(guān)電源噪聲、串?dāng)_、電磁干擾等等，與電路的設(shè)計有關(guān)，

10、可以通過優(yōu)化設(shè)計來改善，比如選擇合適的電源濾波方案、合理的PCB布局和布線。在抖動頻譜中，RJ是頻譜的基底部分，而DJ是抖動頻譜中的尖峰部分。很多測試儀器都是從抖動頻譜來分解抖動的。時鐘抖動測試注意事項在時鐘抖動測試中，有以下要點：1，選擇合適帶寬：為了準(zhǔn)確測量到時鐘的邊沿，通常，示波器的帶寬在時鐘頻率的5倍以上，對于某些邊沿很快的時鐘，甚至需要儀器帶寬大于10倍時鐘主頻。2，選擇合適測試點：由于時鐘鏈路可能使用了各種端接策略或者星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在發(fā)送端探測時鐘可能沒有太大的參考意義，通常是在時鐘鏈路的靠近接收端處探測和分析。3， 保證地線盡量短：探頭的地線較長時，引入的寄生電感可能導(dǎo)致測量到的

11、波形失真，較長的地線構(gòu)成的信號環(huán)路也更容易受到電磁干擾。4， 信號幅度盡量占滿整個屏幕：示波器的ADC只有8個比特的分辨率，必須讓信號幅度盡量占滿示波器的整個屏幕才可以保證足夠的測試精度。5， 固定到合適的采樣率：使用合適的采樣率，保證在時鐘的邊沿采集到足夠的采樣點。6， 抓取足夠的時鐘周期：對于有較低頻率的PJ的時鐘，需要捕獲足夠長的時間才能找到該時鐘的抖動來源。時鐘抖動評估中的難點在目前通信設(shè)備的時鐘的測試分析中，存在的問題為：芯片、設(shè)備、測試儀器廠商對時鐘抖動指標(biāo)的含義定義不一致。比如有的芯片廠商直接給出抖動的pk-pk值，而沒有指明是那種抖動要求。芯片廠商給出的名稱與測試儀器廠商的名稱一致，但實際描述的含義卻不一致。有的芯片廠商對時鐘抖動指標(biāo)要求不嚴(yán)謹(jǐn)；有的芯片廠商給出的時鐘抖動的指標(biāo)要求比較隨意，指標(biāo)的給出沒有相應(yīng)的根據(jù)。這些原因在于近十年來電子產(chǎn)品的運行速度和時鐘頻率不斷增加，而抖動的知識也在不斷完善與理論化，而某些芯片廠商的文檔對于抖動的定義不規(guī)范，給時鐘性能的評估帶來一定的困難，這些需要各自的積累來進(jìn)行評估。結(jié)語高速鏈路是各電子設(shè)備以后重要的組成部分，其設(shè)計、性能分析和評估都是熱門的話題。本文僅對時鐘抖動