抖動(dòng)分析使用的時(shí)鐘恢復(fù)方法-TECHNICALBRIEF

1、技術(shù)簡(jiǎn)介抖動(dòng)分析使用的時(shí)鐘恢復(fù)方法Michael Schnecker抖動(dòng)測(cè)量是串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析和認(rèn)證中的關(guān)鍵要素。由于當(dāng)前許多設(shè)計(jì)中的符號(hào)速率通常要超過2.5 Gb/s ，因此準(zhǔn)確地檢定抖動(dòng)正變得更加重要。參考時(shí)鐘是所有抖動(dòng)測(cè)量的核心，必須針對(duì)這個(gè)參考時(shí)鐘測(cè)量符號(hào)定時(shí)。在理想情況下，會(huì)有這樣一個(gè)時(shí)鐘；但在實(shí)踐中，通常沒有這樣的時(shí)鐘。因此，必須從被測(cè)信號(hào)中恢復(fù)參考時(shí)鐘。恢復(fù)這一時(shí)鐘使用的方法對(duì)測(cè)得的抖動(dòng)有著直接影響。串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如 PCI Express? 和串行 ATA解決了這個(gè)問題，它們不僅定義了抖動(dòng)，還定義了推導(dǎo)測(cè)量結(jié)果使用的具體時(shí)鐘恢復(fù)方法。選擇的時(shí)鐘恢復(fù)方法影響著追蹤能力及可以測(cè)量的抖

2、動(dòng)總量。抖動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中靈活的時(shí)鐘恢復(fù)不僅有助于滿足特定標(biāo)準(zhǔn)要求，還提供了強(qiáng)大的分析工具，可以預(yù)測(cè)實(shí)際接收機(jī)的性能。時(shí)鐘恢復(fù)圖1是串行數(shù)據(jù)接收機(jī)的基本方框圖。接收機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)流的跳變，在本文中假設(shè)為NRZ。時(shí)鐘恢復(fù)方框通過使用鎖相環(huán)(PLL) 把時(shí)鐘信號(hào)鎖相到數(shù)據(jù)跳變，從數(shù)據(jù)邊沿中導(dǎo)出采樣時(shí)鐘。PLL操作生成一個(gè)時(shí)鐘，其抖動(dòng)與數(shù)據(jù)的抖動(dòng)相同，以支持位速率的長(zhǎng)期變化，但它允許傳送短期變化?；謴?fù)的采樣時(shí)鐘上出現(xiàn)的抖動(dòng)速率由PLL反饋環(huán)路的低通濾波器確定。這一設(shè)計(jì)允許接收機(jī)不受長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)平均位速率相對(duì)較大變化的影響。檢測(cè)器使用恢復(fù)的時(shí)鐘，定位符號(hào)邊界，在符號(hào)的標(biāo)稱中心( 單位間隔或UI)對(duì)電壓采樣，確定存

3、在電平 1或 0。通過時(shí)鐘恢復(fù)電路傳送的抖動(dòng)包含隨機(jī)成分和確定性成分。發(fā)射機(jī)抖動(dòng)使用鎖相環(huán)恢復(fù)定時(shí)參考，分析發(fā)射機(jī)定時(shí)抖動(dòng)。在這方面，抖動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的行為與串行數(shù)據(jù)接收機(jī)類似。數(shù)據(jù)流與恢復(fù)的時(shí)鐘之間的相位誤差在抖動(dòng)分析函數(shù)中分析。相位誤差代表著用來調(diào)節(jié) VCO頻率， 以追蹤被測(cè)信號(hào)符號(hào)速率的控制信號(hào)。 這種相位誤差實(shí)際上是參考時(shí)鐘和數(shù)據(jù)跳變之間的抖動(dòng)。圖1.串行數(shù)據(jù)接收機(jī)方框圖。時(shí)鐘恢復(fù)函數(shù)生成一個(gè)采樣時(shí)鐘，追蹤數(shù)據(jù)流中的抖動(dòng)。 圖示內(nèi)容：serial data signal (NRZ):串行數(shù)據(jù)信號(hào)(NRZ)detector:檢測(cè)器de-serializer:解串行器parallel data

4、 out:并行數(shù)據(jù)輸出phase detector:相位檢測(cè)器low pass filter:低通濾波器圖2. 抖動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。時(shí)鐘恢復(fù)函數(shù)與串行數(shù)據(jù)接收機(jī)中使用的類似， 其中包括一個(gè)低通濾波器和VCO。分析控制環(huán)路反饋路徑中的相位誤差信號(hào)，測(cè)量數(shù)據(jù)流中的定時(shí)抖動(dòng)。 圖示內(nèi)容： serial data signal (NRZ):串行數(shù)據(jù)信號(hào)(NRZ)phase detector:相位檢測(cè)器phase error:相位誤差jitter analysis function:抖動(dòng)分析函數(shù)low pass filter:低通濾波器可以使用下面的公式，使用Laplace 變換符號(hào)描述穩(wěn)態(tài)相位誤差：(1)公

5、式 (1) 中的函數(shù) H(s) 是圖 2中反饋路徑內(nèi)的低通濾波器。分母中的極性 (H(s)/s) 從相位轉(zhuǎn)換成VCO中的頻率。我們選擇低通濾波器，在鎖相環(huán)中提供所需的屬性。這種濾波器同時(shí)影響著測(cè)量系統(tǒng)的追蹤特點(diǎn)和抖動(dòng)轉(zhuǎn)函。時(shí)鐘恢復(fù)濾波選項(xiàng)有多個(gè)選項(xiàng)可以配置PLL環(huán)路濾波器。常用的黃金PLL在反饋路徑中采用簡(jiǎn)單的比例系數(shù)。多種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在抖動(dòng)測(cè)量中使用這類濾波器，包括光纖通道標(biāo)準(zhǔn)?？梢允褂肏(s) = wc的濾波函數(shù)，實(shí)現(xiàn)單極環(huán)路濾波器。誤差信號(hào)的公式如下：(2)其中截止頻率由c確定。許多串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)使用擴(kuò)頻時(shí)鐘控制輻射。擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC) 在較小的范圍內(nèi)低速調(diào)制符號(hào)速率。一般來說，擴(kuò)頻速率是 3

6、0 kHz，位速率的峰值偏差是 0.5%。存在 SSC時(shí)的信號(hào)速率可以視為線性頻率位移隨時(shí)間變化 (f = f0+Ct) 。信號(hào)相位是頻率的積分；因此 SSC得到一個(gè)隨 t2 變化的相位。假設(shè)頻率變化在 t=0 時(shí)間上開始，相位的 Laplace 變換采用下面的公式：(3)常數(shù) C是信令頻率的變化速率，通過在s接近 se(s) 的 0時(shí)得到極限，可以確定穩(wěn)態(tài)誤差。(4)這個(gè)極限用公式 (4) 表示， 表明誤差隨著時(shí)間持續(xù)增加 ( 在 s接近 0時(shí)為無窮大 ) 。在實(shí)踐中，濾波器中充分高的截止頻率會(huì)在較長(zhǎng)、但有限的觀測(cè)周期內(nèi)保持較小的誤差。測(cè)量擴(kuò)頻時(shí)鐘信號(hào)的更好的選項(xiàng)是在原點(diǎn)有一個(gè)電極的二階濾波

7、器。這類濾波器追蹤穩(wěn)態(tài)擴(kuò)頻，公式如下：(5)與這個(gè)濾波器有關(guān)的誤差函數(shù)是：(6)通過把公式 (3) 代入 (6) ，得到公式 (4) 中的極限，可以得到穩(wěn)態(tài)誤差。極限為：(7)在這種情況下，穩(wěn)態(tài)誤差是恒定的，因此環(huán)路以固定的相位偏置追蹤SSC。由于這種屬性，串行ATA PHY II 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用這類環(huán)路濾波器。采用SSC的其它標(biāo)準(zhǔn)，如PCIExpress?，也可以從這類環(huán)路濾波器中受益。盡管最新版的PCI Express 一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單極PLL濾波器，且在使 SSC失效的情況下測(cè)量信號(hào)，但不一定總能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。二階環(huán)路濾波器允許在啟動(dòng) SSC的情況下進(jìn)行測(cè)量。抖動(dòng)轉(zhuǎn)函除追蹤屬性外， PL

8、L還控制著被測(cè)抖動(dòng)的頻率成分。 相位誤差信號(hào)具有高通特點(diǎn)， 這由環(huán)路濾波器H(s) 確定。圖3顯示了公式 (2) 和公式 (6) 中一階和二階鎖相環(huán)的抖動(dòng)轉(zhuǎn)函。一階PLL的截止頻率和二階PLL的自然頻率設(shè)為 1.8 MHz。二階環(huán)路的實(shí)際截止頻率 (3 dB點(diǎn) ) 相對(duì)于自然頻率的位移量可以使用下面的公式確定：(8)對(duì)0.707 的阻尼系數(shù)，公式 (8) 的截止頻率和自然頻率變成fc = 2.06 fn。可以使用公式 (8) 確定自然頻率，實(shí)現(xiàn)所需的截止頻率。誤差信號(hào)的傳輸頻帶控制著一定信號(hào)測(cè)得的抖動(dòng)量。附錄中的圖4到圖 6顯示了使用不同的 PLL濾波器和截止頻率在 2.5 Gb/s PCI

9、Express 信號(hào)上測(cè)得的抖動(dòng)。這些測(cè)量在力科SDA 6000A上進(jìn)行，該系統(tǒng)通過處理從串行數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)字化采集起越過信號(hào)門限的次數(shù)，來實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)測(cè)量函數(shù)。正如有人預(yù)期的那樣，最高的總抖動(dòng)使用最低的截止頻率( 在本例中是 100 kHz) 測(cè)得。通過使用精密的 PLL截止頻率，在存在特定數(shù)據(jù)源時(shí)，可以估算特定接收機(jī)的性能。在本例中，在PLL帶寬從 7 MHz提高到 22 MHz時(shí)，總抖動(dòng)降低了30% ( 從 130 ps Tj 下降到 89 ps Tj) 。這表明 722 MHz范圍內(nèi)包含大量的抖動(dòng)。抖動(dòng)劃分結(jié)果還表明新增的這一抖動(dòng)中大約有24 ps是確定性抖動(dòng)，因此是由發(fā)射機(jī)中的系統(tǒng)效應(yīng)引起的

10、。在從特定接收機(jī)角度考察時(shí)，這類抖動(dòng)分析可以更精確地了解一定發(fā)射機(jī)的實(shí)際抖動(dòng)性能。它進(jìn)一步提高了優(yōu)化接收機(jī)設(shè)計(jì)， 以用于特定類型的發(fā)射機(jī)的可能。 在 PLL類型和截止頻率范圍一定時(shí)，可以使用這一工具保證任何發(fā)射機(jī)的性能和互通能力?？偨Y(jié)參考時(shí)鐘恢復(fù)函數(shù)是所有抖動(dòng)測(cè)量的基本組成部分。這一函數(shù)的屬性影響著追蹤能力及從串行數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)測(cè)得的抖動(dòng)量。在存在擴(kuò)頻時(shí)鐘時(shí)，追蹤對(duì)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量至關(guān)重要，時(shí)鐘恢復(fù)的抖動(dòng)轉(zhuǎn)函的高通截止頻率則控制著測(cè)得的抖動(dòng)量。在這方面，可以設(shè)計(jì)抖動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，仿真串?dāng)?shù)據(jù)接收機(jī)操作。有了這種靈活性，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際接收機(jī)性能。參考資料微波應(yīng)用的合成器設(shè)計(jì) ,Ulirch L. Rohde鎖相環(huán)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí) ,Garth Nash傅立葉變換及其應(yīng)用 ,Ronald N, Bracewell附錄圖3: 一階 ( 紅色) 和二階 ( 綠色 ) PLL 的抖動(dòng)轉(zhuǎn)函，其中截止頻率和自然頻率為 1.8 MHz。注意，二階 PLL的截止頻率要比一階 PLL快。藍(lán)色曲線顯示了使用公式 (8) 表示的自然頻率位移的二階響應(yīng)。圖4. 100 kHz PLL 濾波器測(cè)量的發(fā)射機(jī)抖動(dòng)的功率譜 ( 上面的曲線 ) 和直方圖 ( 下面的曲