信號(hào)完整性系列之十六——高速互聯(lián)鏈路中參考時(shí)鐘的抖動(dòng)分析與測(cè)

1、 (按:  最近經(jīng)常遇到工程師在電話或郵件中問(wèn)起時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)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(shí)鐘的抖動(dòng)分析與測(cè)量。 本文是力科和中興通訊高速信號(hào)測(cè)試技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)關(guān)注的朋友有所幫助。如果您有關(guān)于時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量方面的問(wèn)題，歡迎隨時(shí)和我溝通。 )                  &

2、#160;  中心議題：· 時(shí)鐘抖動(dòng)及測(cè)試方法的介紹和探討 · 時(shí)鐘抖動(dòng)的分解 · 時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試注意事項(xiàng)摘要在高速互聯(lián)鏈路中，發(fā)送器的參考工作時(shí)鐘的抖動(dòng)是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。本文對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的主要概念、測(cè)試方法及注意事項(xiàng)、測(cè)試難點(diǎn)進(jìn)行分析和探討。高速互聯(lián)鏈路介紹任何一個(gè)通信鏈路都包含三個(gè)部分：發(fā)送器（TX）、媒質(zhì)（信道）、接收器（RX）。對(duì)于高速的串行互聯(lián)鏈路也包含這三個(gè)部分，如下圖1所示為一個(gè)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(hào)優(yōu)化（如預(yù)加重）、發(fā)送驅(qū)動(dòng)等功能。接收器包括了

3、：時(shí)鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)恢復(fù)、接收信號(hào)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(guò)孔、連接器、插卡的金手指、電纜、光纖等組成。從整個(gè)鏈路的組成來(lái)看，發(fā)送器參考時(shí)鐘的抖動(dòng)在串并轉(zhuǎn)換時(shí)就引入到整個(gè)鏈路中，影響著TX端發(fā)送出的數(shù)據(jù)的抖動(dòng)，而接收器要從這些數(shù)據(jù)中恢復(fù)出時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行后續(xù)的處理?？梢钥闯霭l(fā)送器參考時(shí)鐘的性能對(duì)整個(gè)鏈路的性能起到很關(guān)鍵的作用。本文從時(shí)鐘抖動(dòng)的相關(guān)概念、測(cè)試實(shí)例、測(cè)試注意事項(xiàng)、測(cè)試難點(diǎn)幾方面對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試進(jìn)行分析和探討。 三種時(shí)鐘抖動(dòng)的定義，峰峰值與有效值時(shí)鐘抖動(dòng)通常分為時(shí)間間隔誤差（Time Interval Error，簡(jiǎn)稱TIE），周期抖動(dòng)（Perio

4、d Jitter）和相鄰周期抖動(dòng)（cycle to cycle jitter）三種抖動(dòng)。 圖2：TIE Jitter抖動(dòng)和TIE Jitter trackTIE又稱為phase jitter，是信號(hào)在電平轉(zhuǎn)換時(shí)，其邊沿與理想時(shí)間位置的偏移量。理想時(shí)間位置可以從待測(cè)試時(shí)鐘中恢復(fù)，或來(lái)自于其他參考時(shí)鐘。如圖2所示TIE抖動(dòng)的示意圖，I1、I2、I3、In-1、In是時(shí)鐘第一個(gè)到第n個(gè)上升沿與理想時(shí)間位置的偏差，將I1、I2到In進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，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(dòng)的峰峰值，即： 假設(shè)N為測(cè)量的樣本總數(shù)，抖動(dòng)的平均值可表示為： 抖動(dòng)的有效值（即RMS值）為所有樣本

5、的1個(gè)Sigma值，即： 周期抖動(dòng)（Period Jitter）是多個(gè)周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘周期的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與測(cè)量的結(jié)果。如圖3所示的P1、P2、Pn-1、Pn為多個(gè)周期內(nèi)時(shí)鐘的周期數(shù)值，對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，同理，與TIE抖動(dòng)的峰峰值和有效值計(jì)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(dòng)的峰峰值，把P1到Pn進(jìn)行1個(gè)Sigma運(yùn)算，得到周期抖動(dòng)的RMS值。相鄰周期抖動(dòng)（Cycle to cycle jitter）是時(shí)鐘相鄰周期的周期差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與測(cè)量的結(jié)果。如圖4所示，后一時(shí)鐘周期減去前一時(shí)鐘后作為統(tǒng)計(jì)的樣本，C1=P2-P1, C2=P3-P2, Cn-1 = Pn - Pn-1，

6、把C1到Cn1進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，同理，可以計(jì)算出Cycle to cycle jitter的峰峰值和RMS值。 圖3：Period Jitter抖動(dòng)和Period Jitter track圖4：Cycle to Cycle Jitter抖動(dòng)和Jitter track在上述三種常見(jiàn)的時(shí)鐘抖動(dòng)中，對(duì)于串行總線，通常是測(cè)量TIE抖動(dòng)，比如高速收發(fā)器TX端的參考時(shí)鐘。對(duì)于并行電路，通常是測(cè)量其時(shí)鐘的周期抖動(dòng)和相鄰周期抖動(dòng)，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(shí)間，縱軸是對(duì)應(yīng)周期的抖動(dòng)數(shù)值，該曲線反映了抖動(dòng)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，稱為抖動(dòng)跟蹤（Jitter trac

7、k）；將每個(gè)周期的抖動(dòng)值（比如TIE抖動(dòng)的I1、I2In）作統(tǒng)計(jì)直方圖，可以得到抖動(dòng)直方圖（Jitter Histogram）；將抖動(dòng)跟蹤做快速傅立葉變換（FFT）計(jì)算可以得到抖動(dòng)頻譜（Jitter Spectrum）。抖動(dòng)跟蹤是抖動(dòng)在時(shí)域的表現(xiàn)形式，抖動(dòng)頻譜是抖動(dòng)在頻域的表現(xiàn)形式，抖動(dòng)直方圖是抖動(dòng)在統(tǒng)計(jì)域的表現(xiàn)形式。各種測(cè)試儀器和分析軟件對(duì)于抖動(dòng)的測(cè)量和分析都是在這三個(gè)域中實(shí)現(xiàn)的。如下圖5為某100MHz時(shí)鐘在時(shí)域、頻域、統(tǒng)計(jì)域分析其TIE抖動(dòng)的示意圖。左上角的F2為某100MHz時(shí)鐘，P1是時(shí)鐘的TIE參數(shù)測(cè)量；右上角的F3是TIE抖動(dòng)的直方圖，直方圖不是高斯分布，可見(jiàn)時(shí)鐘存在固有抖動(dòng)。

8、 圖5：時(shí)鐘抖動(dòng)在時(shí)域、頻譜、統(tǒng)計(jì)域的分析左下角的F4為T(mén)IE track（即TIE抖動(dòng)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)），從TIE Track中可以看到周期性的變化趨勢(shì)；右下角的F5是F4的FFT運(yùn)算，即抖動(dòng)的頻譜，頻譜的峰值頻率為515kHz，說(shuō)明該時(shí)鐘的周期性抖動(dòng)（PJ）的主要來(lái)源為515kHz，找到頻點(diǎn)后，可以查找電路板上主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(shí)鐘抖動(dòng)的分解時(shí)鐘抖動(dòng)的峰峰值和RMS值僅反映了抖動(dòng)在統(tǒng)計(jì)上的數(shù)值，并沒(méi)有分析抖動(dòng)的來(lái)源。對(duì)于時(shí)鐘抖動(dòng)分解，業(yè)內(nèi)通常把抖動(dòng)分解為：總體抖動(dòng)（TJ）、確定性抖動(dòng)（DJ）、隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）、周期性抖動(dòng)（PJ）、占空比失真（

9、DCD）等等。如下圖6所示為各種抖動(dòng)的關(guān)系圖。 圖6：抖動(dòng)的分解示意圖TJ及其各種成分，都是針對(duì)TIE的。如前文所說(shuō)，TIE反映了被測(cè)時(shí)鐘與理想時(shí)鐘的偏差。TIE抖動(dòng)的峰峰值為隨著測(cè)試樣本數(shù)的增加不斷增大（隨機(jī)抖動(dòng)因素引起的），TJ是和誤碼率聯(lián)系起來(lái)的，通常誤碼率為10E-12，即通常所說(shuō)的TJ是10的12次方個(gè)樣本的TIE抖動(dòng)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(dòng)）。對(duì)于單邊沿來(lái)同步與定時(shí)的時(shí)鐘，DCD不算做抖動(dòng)（當(dāng)然，絕大多數(shù)時(shí)鐘都只用其上升沿）。RJ會(huì)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(jì)后的1個(gè)Sigma或RM

10、S值來(lái)表示，在抖動(dòng)測(cè)試儀器中得到的RJ通常為RMS值。隨機(jī)抖動(dòng)的來(lái)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(jī)抖動(dòng)。DJ是有邊界的、確定性的抖動(dòng)，來(lái)源為：開(kāi)關(guān)電源噪聲、串?dāng)_、電磁干擾等等，與電路的設(shè)計(jì)有關(guān)，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)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(dòng)頻譜中，RJ是頻譜的基底部分，而DJ是抖動(dòng)頻譜中的尖峰部分。很多測(cè)試儀器都是從抖動(dòng)頻譜來(lái)分解抖動(dòng)的。時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試注意事項(xiàng)在時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試中，有以下要點(diǎn)：1，選擇合適帶寬：為了準(zhǔn)確測(cè)量到時(shí)鐘的邊

11、沿，通常，示波器的帶寬在時(shí)鐘頻率的5倍以上，對(duì)于某些邊沿很快的時(shí)鐘，甚至需要儀器帶寬大于10倍時(shí)鐘主頻。2，選擇合適測(cè)試點(diǎn)：由于時(shí)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(cè)時(shí)鐘可能沒(méi)有太大的參考意義，通常是在時(shí)鐘鏈路的靠近接收端處探測(cè)和分析。3， 保證地線盡量短：探頭的地線較長(zhǎng)時(shí)，引入的寄生電感可能導(dǎo)致測(cè)量到的波形失真，較長(zhǎng)的地線構(gòu)成的信號(hào)環(huán)路也更容易受到電磁干擾。4， 信號(hào)幅度盡量占滿整個(gè)屏幕：示波器的ADC只有8個(gè)比特的分辨率，必須讓信號(hào)幅度盡量占滿示波器的整個(gè)屏幕才可以保證足夠的測(cè)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(shí)鐘的邊沿采集到足夠的采樣點(diǎn)。6，

12、 抓取足夠的時(shí)鐘周期：對(duì)于有較低頻率的PJ的時(shí)鐘，需要捕獲足夠長(zhǎng)的時(shí)間才能找到該時(shí)鐘的抖動(dòng)來(lái)源。時(shí)鐘抖動(dòng)評(píng)估中的難點(diǎn)在目前通信設(shè)備的時(shí)鐘的測(cè)試分析中，存在的問(wèn)題為：芯片、設(shè)備、測(cè)試儀器廠商對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)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(dòng)的pk-pk值，而沒(méi)有指明是那種抖動(dòng)要求。芯片廠商給出的名稱與測(cè)試儀器廠商的名稱一致，但實(shí)際描述的含義卻不一致。有的芯片廠商對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)要求不嚴(yán)謹(jǐn)；有的芯片廠商給出的時(shí)鐘抖動(dòng)的指標(biāo)要求比較隨意，指標(biāo)的給出沒(méi)有相應(yīng)的根據(jù)。這些原因在于近十年來(lái)電子產(chǎn)品的運(yùn)行速度和時(shí)鐘頻率不斷增加，而抖動(dòng)的知識(shí)也在不斷完善與理論化，而某些芯片廠商的文檔對(duì)于抖動(dòng)的定義不規(guī)范，給時(shí)鐘性能的評(píng)估帶來(lái)一定的困難，這些需要各自的積累來(lái)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)語(yǔ)高速鏈路是各電子設(shè)備以后重要的組成部分，其設(shè)計(jì)、性能分析和評(píng)估都是熱門(mén)的話題。