中心議題：
- 抖動(dòng)是邊沿較本應(yīng)位置的偏差
- 應(yīng)從整體BER角度了解系統(tǒng)的運(yùn)行方式
- 串?dāng)_問題為實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)
解決方案：
- BUJ測量解決方案
串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)迅猛發(fā)展，大幅度改善了PC和服務(wù)器系統(tǒng)的性能。測試這些更高速的標(biāo)準(zhǔn)、找到抖動(dòng)證據(jù)，對長期穩(wěn)定性及在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的誤碼率（BER）目標(biāo)至關(guān)重要。為高效進(jìn)行分析，首先要選擇適當(dāng)?shù)膬x器，很好地了解儀器噪聲、上升時(shí)間及三階諧波性能、四階諧波性能、五階諧波性能等因素。
但還不僅僅是測量這么簡單，合適的儀器必需與適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ吲涮资褂谩Ｔ跍y試8 Gb/s以上的串行數(shù)據(jù)速率時(shí)，還要考慮其它因素，如抖動(dòng)分離和去嵌/嵌入。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹存在串?dāng)_時(shí)的一種新的抖動(dòng)分離方法，隨著通路數(shù)量提高，以提升計(jì)算系統(tǒng)吞吐量，串?dāng)_問題正越來越多。
所有采用電壓跳變表示定時(shí)信息的電氣系統(tǒng)都有定時(shí)抖動(dòng)。在歷史上，電氣系統(tǒng)通過采用相對較低的信令速率來減緩定時(shí)抖動(dòng)（或簡稱為抖動(dòng)）的負(fù)面影響。隨著數(shù)據(jù)速率攀升到8 Gb/sec以上，抖動(dòng)占信令間隔的比重已經(jīng)很大，了解抖動(dòng)類型和抖動(dòng)來源對成功部署高速串行技術(shù)非常關(guān)鍵。
簡單地說，抖動(dòng)是邊沿與本應(yīng)位置相比的偏差，如圖1所示。根據(jù)ITU的定義，抖動(dòng) 是"數(shù)字信號在有效時(shí)點(diǎn)較理想時(shí)間位置的短期變化".
圖1 抖動(dòng)是邊沿較本應(yīng)位置的偏差
可以通過多種方式測量單個(gè)波形上的抖動(dòng)，包括周期性抖動(dòng)、周期間抖動(dòng)和時(shí)間間隔誤差（TIE），設(shè)計(jì)通常決定著哪種指標(biāo)合適。在獨(dú)立式振蕩器中，信號是時(shí)鐘，可能會(huì)跳頻或掃頻。這里，周期性抖動(dòng)是合適的指標(biāo)。在串行數(shù)據(jù)流的發(fā)射機(jī)中，信號是數(shù)據(jù)流，ISI（碼間干擾）是關(guān)鍵問題。這里，TIE抖動(dòng)是合適的指標(biāo)。
處理抖動(dòng)問題的工程師有大量的儀器可以選擇，每種儀器都有獨(dú)特的優(yōu)勢和劣勢：
· 實(shí)時(shí)數(shù)字存儲示波器（DSO）恢復(fù)整個(gè)波形，可以測量任何指標(biāo)，可以用于TIE、周期到周期抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)測量。但它在頻率（或位速率）、解析頻譜、小的抖動(dòng)及多電平調(diào)制方面有局限性 .
· BER測試儀（BERT）特別適合TIE抖動(dòng)，特別是TJ或總抖動(dòng)，這是TIE的一種形式。BERT的優(yōu)勢是它計(jì)數(shù)每個(gè)比特，但測試執(zhí)行起來耗費(fèi)時(shí)間較長。
· 實(shí)時(shí)頻譜分析儀（RTSA）可以用于周期間抖動(dòng)測量和周期性抖動(dòng)測量，支持移動(dòng)設(shè)備的復(fù)雜調(diào)制，查看時(shí)鐘、PLL,了解其動(dòng)態(tài)性能。其局限性包括跨度（低于100 MHz）和帶寬信號，具有大的調(diào)制頻譜。
· 等效時(shí)間采樣示波器提供了最佳的帶寬，可以用于串行數(shù)據(jù)的所有抖動(dòng)測量。目前，這些示波器是唯一支持噪聲分析和BER眼圖的儀器。其局限性是沒有實(shí)時(shí)捕獲功能，只能用于重復(fù)的碼型，某些抖動(dòng)頻譜有假信號。
人們經(jīng)常提出的一個(gè)問題是如果我們最終只關(guān)心BER,那么為什么還要擔(dān)心抖動(dòng)。這是因?yàn)檠蹐D（寬度）閉上得太多時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤差。抖動(dòng)和噪聲分析工具可以迅速預(yù)測和分析BER中的問題。最終，一切都?xì)w結(jié)于誤差，而消除設(shè)計(jì)中的這些誤差要求了解抖動(dòng)過高的一個(gè)或多個(gè)原因。
首先應(yīng)從整體BER角度了解系統(tǒng)的運(yùn)行方式。示波器使用眼圖和統(tǒng)計(jì)分析，生成浴缸圖。之所以叫浴缸圖，是因?yàn)樵跇O限變化時(shí)，得到的圖形形狀像浴缸。在使用BERT儀器時(shí)，每個(gè)位的具體數(shù)量會(huì)得到一個(gè)抖動(dòng)峰值圖。如圖2所示，左面來自BERT的抖動(dòng)峰值與右面示波器抖動(dòng)浴缸圖幾乎完全等效。[page]
圖2 左面BERT 抖動(dòng)峰值與右面示波器抖動(dòng)浴缸之間的BER性能等效圖
鑒于結(jié)果緊密對準(zhǔn)，示波器成為BERT非常實(shí)用的補(bǔ)充，因?yàn)槭褂肂ERT測量直到BER=10-12的TJ會(huì)需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，結(jié)果并不能揭示哪類問題導(dǎo)致抖動(dòng)。示波器可以以智能方式測量少量數(shù)據(jù)，然后把抖動(dòng)劃分成各種抖動(dòng)成分，其一般采用圖3所示的公認(rèn)的抖動(dòng)模型。通過做出假設(shè)，示波器可以進(jìn)行TJ@BER計(jì)算，真實(shí)反映使用BERT獲得的結(jié)果，而所用時(shí)間只是BERT的幾分之一，也就是說，如果所有假設(shè)都正確的話，所有復(fù)雜系統(tǒng)模型都做出假設(shè)和簡化，因此模型和實(shí)際系統(tǒng)行為之間永遠(yuǎn)不會(huì)完全擬合。正如本文后面討論的那樣，目前，特別麻煩的一個(gè)問題是串?dāng)_。
圖3 業(yè)內(nèi)抖動(dòng)模型：2001-2010
串?dāng)_問題為實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)，大多數(shù)串行系統(tǒng)采用多條通路。隨著頻率和數(shù)據(jù)速率提高到10 Gb/s以上，少量的串?dāng)_就會(huì)吃光抖動(dòng)預(yù)算，產(chǎn)生定時(shí)問題。
在一個(gè)信號受到相鄰信號影響時(shí)，會(huì)發(fā)生串?dāng)_。在數(shù)據(jù)速率很高時(shí)，信號傳播方式更像是導(dǎo)波，而不是簡單的DC電流。波由傳導(dǎo)軌跡引導(dǎo)，但通過介電介質(zhì)輻射，一般是FR4.當(dāng)存在一個(gè)以上的信號時(shí)，電路板上的每條傳導(dǎo)軌跡在其它每條軌跡上帶有假信號。公認(rèn)的術(shù)語是侵入信號會(huì)在被侵入信號上導(dǎo)致串?dāng)_。在引導(dǎo)被侵入信號的導(dǎo)體撿拾到侵入信號時(shí)，就會(huì)發(fā)生串?dāng)_。電路布線中不可避免的不連續(xù)點(diǎn)（如連接器和通路）是關(guān)鍵點(diǎn)，在生成串?dāng)_時(shí)，它們的行為方式類似于天線。
實(shí)時(shí)采樣示波器和等效時(shí)間采樣示波器采用基于頻譜的抖動(dòng)分析技術(shù)，隔離各種抖動(dòng)成分。在實(shí)時(shí)采樣設(shè)備上，如果頻率成分沒有假信號，那么抖動(dòng)和電壓噪聲頻譜有副諧波峰值，它們會(huì)被涂抹到電路板諧振形狀中，而不是表現(xiàn)為銳線。在采樣不足的設(shè)備上，如頻譜帶有假信號的等效時(shí)間采樣示波器，串?dāng)_表現(xiàn)為連續(xù)的噪聲。
在實(shí)時(shí)采樣示波器和等效時(shí)間采樣示波器中，這些基于頻譜的抖動(dòng)分析技術(shù)都通過對連續(xù)抖動(dòng)頻譜求積分來測量隨機(jī)抖動(dòng)（RJ），由于串?dāng)_定時(shí)效應(yīng)而夸大RJ.這會(huì)導(dǎo)致RJ提高，高估TJ.圖4顯示了示波器測量的抖動(dòng)，在本例中，示波器測量的DUT擁有大量的串?dāng)_。
圖4 與BERT相比，示波器中的TJ誤差。（注： RTO = 實(shí)時(shí)示波器，采樣 = 等效時(shí)間示波器）
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串?dāng)_在示波器中表現(xiàn)為有界不相關(guān)抖動(dòng)或BUJ,因?yàn)樗捎糜薪绶植肌?shù)據(jù)碼型的復(fù)雜性會(huì)使分布的有界特點(diǎn)變得模糊。1和0似乎隨機(jī)的分布會(huì)導(dǎo)致在每個(gè)侵入信號跳變上傳送不同數(shù)量的電壓噪聲。
對串?dāng)_引起的BUJ的靈敏度在不同測量系統(tǒng)之間而不同。示波器在測量或推斷抖動(dòng)時(shí)，會(huì)悲觀地把BUJ或NP-BUJ捆綁到RJ中，然后還會(huì)高報(bào)TJ.抖動(dòng)結(jié)果（RJ,TJ）主要取決于侵入信號碼型復(fù)雜性，PRBS31最差，而PRB7一般不會(huì)導(dǎo)致大的誤差。在實(shí)時(shí)示波器中，RJ和TJ結(jié)果還取決于記錄長度，記錄長度越長，提供的樣點(diǎn)越多，抖動(dòng)分離能力越好。這一問題的具體機(jī)制還與實(shí)現(xiàn)方案有關(guān)。
BUJ測量解決方案目前，在懷疑存在串?dāng)_時(shí)，有許多方法進(jìn)行抖動(dòng)分析，但沒有一種方法能夠像示波器為DDJ和PJ提供的結(jié)果那樣，提供單鍵測量結(jié)果。一條線索是抖動(dòng)分析儀器報(bào)導(dǎo)的RJ測量結(jié)果是不是異常大。熱效應(yīng)、也是RJ的最終成因，很少會(huì)超過3 ps RMS.如果報(bào)告的RJ大于3 ps,那么可能是串?dāng)_導(dǎo)致了問題。
識別串?dāng)_的其它技巧要求更多地控制侵入信號信道。例如，如果有可能關(guān)閉懷疑的侵入信號，那么可以比較侵入信號信道上有信號和沒有信號時(shí)的RJ測量數(shù)據(jù)。如果有侵入信號的RJ大于沒有侵入信號的RJ,那么串?dāng)_就是問題。解決方案是在Dual-Dirac模型中使用侵入信道關(guān)閉時(shí)測量的RJ及侵入信道打開時(shí)測量的雙Dirac DJ,來估算相關(guān)BER下的總抖動(dòng)。這種方法的問題在于，它要求控制侵入信號，而并非一直可能實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)問題是它在非線性系統(tǒng)中是無效的（大多數(shù)發(fā)射機(jī)是非線性系統(tǒng)），其對誤差持樂觀態(tài)度，因?yàn)椴糠执當(dāng)_是無界的。
更加先進(jìn)的方法是實(shí)現(xiàn)識別BUJ的抖動(dòng)分析算法，這涉及在分隔DDJ和PJ之后在抖動(dòng)分析中增加一個(gè)額外步驟，把NP-BUJ與RJ分開，如圖5所示。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是這適用于每個(gè)場景，因?yàn)樗恍枰刂魄秩胄盘枺蔷€性TX不會(huì)帶來問題。此外，無界串?dāng)_成分將正確識別為無界。這種方法的缺點(diǎn)是結(jié)果仍有一些悲觀。
圖5 識別BUJ的抖動(dòng)分析及得到的抖動(dòng)分解地圖
為測試抖動(dòng)分析算法把BUJ與其它隨機(jī)抖動(dòng)來源準(zhǔn)確分開的能力，我們重復(fù)圖4所示的測試，但增加了等效時(shí)間采樣示波器采用識別BUJ的抖動(dòng)分析算法提供的結(jié)果。圖6中虛線表示的結(jié)果與BERT相比仍有些悲觀。實(shí)時(shí)示波器得到的結(jié)果還要更悲觀一些。也就是說，報(bào)告的TJ誤差精度大幅度改善，即使在懷疑的串?dāng)_可能會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)和噪聲相關(guān)誤差時(shí)，仍有可能相信示波器的TJ測量。
圖6 識別BUJ的抖動(dòng)分析（虛線）算法顯示具有大量串?dāng)_的DUT上的精度明顯改善
小結(jié)隨著數(shù)據(jù)速率不斷提高，抖動(dòng)已經(jīng)占到信令間隔中非常大的比重，設(shè)計(jì)人員全面了解設(shè)計(jì)中抖動(dòng)類型和抖動(dòng)來源越來越重要。由于大多數(shù)高速串行設(shè)計(jì)現(xiàn)在涉及多條通路，串?dāng)_幾乎是不可避免的結(jié)果，在抖動(dòng)預(yù)算中必須考慮串?dāng)_。
但到目前為止，使用抖動(dòng)分離技術(shù)一直很難測量串?dāng)_引起的抖動(dòng)或有界不相關(guān)抖動(dòng)的影響。由于抖動(dòng)算法沒有考慮BUJ,因此BUJ一直與RJ歸并在一起，與BER測試儀獲得的結(jié)果相比，得到的是悲觀的總抖動(dòng)結(jié)果。
正是認(rèn)識到這種日益增長的問題，特別是對10 Gb/s以上的數(shù)據(jù)速率，抖動(dòng)模型正在擴(kuò)展到包括BUJ,并增加識別BUJ的算法。在涉及大量串?dāng)_的測試中，實(shí)踐證明，新模型可以在實(shí)時(shí)示波器和等效時(shí)間采樣示波器上有效提供TJ結(jié)果，并與BERT得到的結(jié)果一致。它還可以更加全面地分析設(shè)計(jì)中的抖動(dòng)問題，包括串?dāng)_引起的抖動(dòng)。
