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用示波器測量確定性抖動
2015-03-03
為抖動測量而設計的專用測試設備各種各樣，但價格都非常高而且對某些應用來說太過專業而不適用。其實利用普通數字采樣示波器設計人員也能準確快速地進行確定性抖動測量成本比所預計的要低很多。本文介紹針對較短的測試序列如何用示波器進行抖動測量。
準確的抖動測量對以太網和光通路元件來說是一個挑戰。抖動可以分成兩類，超聲波測厚儀即隨機性(無界限)抖動和確定性(有界限)抖動。確定性抖動(DJ)包括在受控條件下能夠重現的所有抖動可以再細分為周期抖動(PJ)、測試序列模板造成的抖動(PDJ)、脈寬失真(DCD)和有限無關聯抖動。
產生確定性抖動的主要原因有：
1．基準電平模糊。由系統低頻截止點引起它會在長串連續同樣數字(CID)附近產生抖動。
2．系統帶寬不足。這會阻止某些脈沖達到穩態水平在分隔的脈沖(如..010..或..101..數據序列)上引起抖動。
3．放大器偏置。可在每次數據轉換時引起脈寬變形。
4．非線性放大器效應。它會產生不可預測的抖動影響經常在長串CID之后引起抖動。
5．電源噪聲和串擾。會產生與數據輸入無關的抖動(有時稱作有限無關聯抖動)。
光纖通訊系統中抖動會在每個元件上累積。在接收端時鐘和數據恢復電路(CDR)分析數據并分解出串行速率時鐘CDR上的抖動表現為時鐘速率小頻率變化。緩慢的變化(小頻率抖動)很容易跟蹤而快速變化(高頻抖動)則不那么容易。如果接收端有太多高頻抖動時鐘就不能分解出來于是在數據通信中出現大量錯誤。
抖動余量考慮
為防止上面所說的這種情況出現，系統設計人員應考慮采用抖動余量。注意確定性抖動是線性增加的(在最壞情況下所有抖動源都加在一起)而隨機性抖動則以幾何倍數增加(平方和再開方)這里假設引起隨機性抖動的噪聲源是獨立無關的。將抖動元件分開會使每個元件產生的抖動更加隨機這有幾個好處包括鏈接距離更長及元件成本更低。
應注意的是確定性抖動測量誤差總是使元件確定性抖動顯得更大而且是直接從余量中減去隨機性抖動測量誤差沒有這么嚴重所以更需要準確測量確定性抖動。
測量確定性抖動需要知道一個數據模板序列。K28.5是測量光纖通道和工作在1Gb/s到3.125Gb/s以太網系統抖動通常指定的序列模板該序列是8B/10B譯碼表中的一個特殊字符經常表示一幀的開始或結束。重復的K28.5序列(輪流由K28.5+和K28.5-構成)含有數據串0011111010110000010它有五個連續的1和五個連續的0(8B/10B譯碼數據中最長連續同樣數字)它還含有分開的1-010和0-101。
重復的K28.5序列可用于測量因基準電平模糊、低帶寬和偏置引起的確定性抖動其它序列更適合于測量非線性影響引起的抖動。
抖動測量
用示波器測量確定性抖動通常有三種方法分別是眼圖法、平均眼圖法和平均交叉測量法(表1)。
使用眼圖法時示波器將同時顯示多個交叉的波形可以迅速看到整體抖動情況(確定性抖動和隨機性抖動結合在一起)。眼圖法的主要優點是速度快和設置方便圖1顯示了測試設備和被測器件(DUT)的典型設置。但眼圖既不能把隨機性抖動和確定性抖動分離開也不能將測試系統引起的抖動去掉。
用眼圖法時應清楚觸發方式會掩蓋大部分確定性抖動例如假設序列發生器每10個時鐘周期提供一次觸發如果序列長度是偶數那么示波器就不會在奇數位上觸發這會將一些轉換掩蓋掉利用奇數長度序列或在序列發生器時鐘輸出上的觸發可以避免這個問題。
如果被測器件含有時間再生電路(時鐘恢復或再定時器)應采用好的鎖相環來恢復示波器觸發時鐘該鎖相環是針對特定協議的。另外如果被測器件內有光學元件還需要增加適當的光變換器(光-電或電-光轉換器)。必要時可假設光轉換器或鎖相環已包含在測試設備里。
有些示波器提供的平均模式能去除眼圖中的隨機性抖動這種模式與基本眼圖相比精確性和可重復性都更高但與觸發有關的問題同樣存在。
平均交叉測量法在K28.5序列上能準確測量確定性抖動的大部分來源其步驟如下：
1．如圖1所示連接好被測器件將示波器觸發設為序列模板。
2．在示波器屏幕上顯示整個K28.5序列。
3．計算屏幕上每次轉換的預期交叉時間(最好是單位時間間隔但應跳過沒有轉換的單位時間間隔)。
4．反復進行平均運算。
5．把交叉制成表格并計算抖動重復K28.5序列(001111101011000001010)有10個交叉。
6．保證信號填滿垂直平面的至少2/3這樣可使示波器的數字化性能最佳。
7．示波器主要位置設定盡可能小(使延遲離開觸發顯示盡可能短以減少觸發抖動)。
8．使用最大水平分辨率(多個水平點)。
9．反復進行平均(平均64到1,000次)以減少隨機性抖動。
注意周期性抖動和有限無關聯抖動不能用已平均的示波器波形來捕捉應采用其它方法測量如果能安全假設被測器件不會產生大量這類抖動那就可用平均交叉測量。
對于使用擾頻器的系統該技術則太過困難用不能使用因為這類系統的測試序列一般都很長。例如通常用于測試擾頻數據系統的223-1偽隨機二進制序列長度超過800萬比特對如此長的圖形進行平均交叉測量很慢而且也不準確。
增強準確性
當今很多元件的確定性抖動與模板發生器和示波器的差不多或更小因此要準確確定這些元件的抖動就要先找出測試系統引入的抖動然后對測量進行調整。把被測器件從測試裝置上拿掉并判定數據圖形每次轉換的抖動可測出系統誤差然后把被測器件放回到測試系統再次測量抖動值可通過算術方法判定出被測器件產生的抖動。
這里介紹的平均交叉測量方法非常適合于使用8B/10B編碼系統的以太網和光纖通道元件的確定性抖動測量僅采用常用測試設備就可進行準確可重復的抖動測量。
準確的抖動測量對以太網和光通路元件來說是一個挑戰。抖動可以分成兩類，超聲波測厚儀即隨機性(無界限)抖動和確定性(有界限)抖動。確定性抖動(DJ)包括在受控條件下能夠重現的所有抖動可以再細分為周期抖動(PJ)、測試序列模板造成的抖動(PDJ)、脈寬失真(DCD)和有限無關聯抖動。
產生確定性抖動的主要原因有：
1．基準電平模糊。由系統低頻截止點引起它會在長串連續同樣數字(CID)附近產生抖動。
2．系統帶寬不足。這會阻止某些脈沖達到穩態水平在分隔的脈沖(如..010..或..101..數據序列)上引起抖動。
3．放大器偏置。可在每次數據轉換時引起脈寬變形。
4．非線性放大器效應。它會產生不可預測的抖動影響經常在長串CID之后引起抖動。
5．電源噪聲和串擾。會產生與數據輸入無關的抖動(有時稱作有限無關聯抖動)。
光纖通訊系統中抖動會在每個元件上累積。在接收端時鐘和數據恢復電路(CDR)分析數據并分解出串行速率時鐘CDR上的抖動表現為時鐘速率小頻率變化。緩慢的變化(小頻率抖動)很容易跟蹤而快速變化(高頻抖動)則不那么容易。如果接收端有太多高頻抖動時鐘就不能分解出來于是在數據通信中出現大量錯誤。
抖動余量考慮
為防止上面所說的這種情況出現，系統設計人員應考慮采用抖動余量。注意確定性抖動是線性增加的(在最壞情況下所有抖動源都加在一起)而隨機性抖動則以幾何倍數增加(平方和再開方)這里假設引起隨機性抖動的噪聲源是獨立無關的。將抖動元件分開會使每個元件產生的抖動更加隨機這有幾個好處包括鏈接距離更長及元件成本更低。
應注意的是確定性抖動測量誤差總是使元件確定性抖動顯得更大而且是直接從余量中減去隨機性抖動測量誤差沒有這么嚴重所以更需要準確測量確定性抖動。
測量確定性抖動需要知道一個數據模板序列。K28.5是測量光纖通道和工作在1Gb/s到3.125Gb/s以太網系統抖動通常指定的序列模板該序列是8B/10B譯碼表中的一個特殊字符經常表示一幀的開始或結束。重復的K28.5序列(輪流由K28.5+和K28.5-構成)含有數據串0011111010110000010它有五個連續的1和五個連續的0(8B/10B譯碼數據中最長連續同樣數字)它還含有分開的1-010和0-101。
重復的K28.5序列可用于測量因基準電平模糊、低帶寬和偏置引起的確定性抖動其它序列更適合于測量非線性影響引起的抖動。
抖動測量
用示波器測量確定性抖動通常有三種方法分別是眼圖法、平均眼圖法和平均交叉測量法(表1)。
使用眼圖法時示波器將同時顯示多個交叉的波形可以迅速看到整體抖動情況(確定性抖動和隨機性抖動結合在一起)。眼圖法的主要優點是速度快和設置方便圖1顯示了測試設備和被測器件(DUT)的典型設置。但眼圖既不能把隨機性抖動和確定性抖動分離開也不能將測試系統引起的抖動去掉。
用眼圖法時應清楚觸發方式會掩蓋大部分確定性抖動例如假設序列發生器每10個時鐘周期提供一次觸發如果序列長度是偶數那么示波器就不會在奇數位上觸發這會將一些轉換掩蓋掉利用奇數長度序列或在序列發生器時鐘輸出上的觸發可以避免這個問題。
如果被測器件含有時間再生電路(時鐘恢復或再定時器)應采用好的鎖相環來恢復示波器觸發時鐘該鎖相環是針對特定協議的。另外如果被測器件內有光學元件還需要增加適當的光變換器(光-電或電-光轉換器)。必要時可假設光轉換器或鎖相環已包含在測試設備里。
有些示波器提供的平均模式能去除眼圖中的隨機性抖動這種模式與基本眼圖相比精確性和可重復性都更高但與觸發有關的問題同樣存在。
平均交叉測量法在K28.5序列上能準確測量確定性抖動的大部分來源其步驟如下：
1．如圖1所示連接好被測器件將示波器觸發設為序列模板。
2．在示波器屏幕上顯示整個K28.5序列。
3．計算屏幕上每次轉換的預期交叉時間(最好是單位時間間隔但應跳過沒有轉換的單位時間間隔)。
4．反復進行平均運算。
5．把交叉制成表格并計算抖動重復K28.5序列(001111101011000001010)有10個交叉。
6．保證信號填滿垂直平面的至少2/3這樣可使示波器的數字化性能最佳。
7．示波器主要位置設定盡可能小(使延遲離開觸發顯示盡可能短以減少觸發抖動)。
8．使用最大水平分辨率(多個水平點)。
9．反復進行平均(平均64到1,000次)以減少隨機性抖動。
注意周期性抖動和有限無關聯抖動不能用已平均的示波器波形來捕捉應采用其它方法測量如果能安全假設被測器件不會產生大量這類抖動那就可用平均交叉測量。
對于使用擾頻器的系統該技術則太過困難用不能使用因為這類系統的測試序列一般都很長。例如通常用于測試擾頻數據系統的223-1偽隨機二進制序列長度超過800萬比特對如此長的圖形進行平均交叉測量很慢而且也不準確。
增強準確性
當今很多元件的確定性抖動與模板發生器和示波器的差不多或更小因此要準確確定這些元件的抖動就要先找出測試系統引入的抖動然后對測量進行調整。把被測器件從測試裝置上拿掉并判定數據圖形每次轉換的抖動可測出系統誤差然后把被測器件放回到測試系統再次測量抖動值可通過算術方法判定出被測器件產生的抖動。
這里介紹的平均交叉測量方法非常適合于使用8B/10B編碼系統的以太網和光纖通道元件的確定性抖動測量僅采用常用測試設備就可進行準確可重復的抖動測量。
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