时钟抖动

利用相位噪声测量表征时钟抖动 来加速设计验证过程 白皮书 简介 参考时钟在高速串行 应用中的作用 图1所示的是高速串行数据链路中的主要元器件。发射机通常将一组速率 较低的并行信号转换成串行数据流。信号经过一条包括多个背板和电缆的传输 通道进行传送。接收机通常会解释输入的串行数据，从中分离出时钟，再把串 行数据重新转换成并行数据流。在许多诸如此类的说明中，参考时钟更多地被 视为一个组成部分但不是关键部分，但是在高速串行数据系统中数据比特率可 达数吉比特，此时参考时钟是一种关键部分。通常，参考时钟的振荡速率远远 低于数据速率，并在发射机中成倍增长。发射机使用参考时钟来确定串行数据 流中的逻辑变换定时。发射的数据中包括参考时钟的特征。在接收机中可能会 出现两种不同的情况。如果未分配参考时钟，则接收机会利用锁相环 (PLL) 从 数据流中还原时钟 — 并利用该时钟定位采样时间点。如果已分配参考时钟， 则接收机会同时使用数据信号和参考时钟来定位采样点。 随着数据速率的提高，时钟抖动的需求也在与日俱增。在高速串行数 据链路中，时钟抖动会影响发射机、传输线和接收机的数据抖动。时钟质量保 证的测量方法也在不断发展。目前的重点是针对比特误码率 (BER) 建立时钟性 能和系统性能之间的直接联系。 该白皮书将探讨参考时钟的作用和时钟抖动对数据抖动的影响，并讨论一 种使用Agilent E5001A精确时钟抖动分析应用软件 (可在E5052B信号源分析 仪 (SSA) 上运行) 的全新测量技术。该测量技术提供了前所未有的测量精度，可 测量随机抖动 (RJ) 并对随机抖动和周期抖动 (PJ) 分量进行实时抖动频谱分析， 以提升您的设计质量。 白皮书还探讨了解决的实时测量功能，此功能可加快设计验证过程。 S er D es 并 行 输 入 串行数据 通道 Rx S er D es (串 行 器 / 解 串 器 ) 并 行 输 入 连接用于分配时钟的点 确定逻辑交换时续 参考时钟 确定采样时间点 图 1. 参考时钟的作用 2 Tx 时钟抖动对发射机 数据抖动的影响 参考时钟是最终的系统定时源。它为发射机、已分配和未分配的时钟系统 提供时基，而接收机的时钟恢复电路可以重现参考时钟特征。现在我们将探 讨时钟抖动如何在系统发射机中进行传输。 发射机必须用适当的因数乘以参考时钟获得数据速率，才能确定逻辑变换 定时。例如，对于 100 MHz参考时钟和 5 Gb/s输出信号，发射机将用PLL给 参考时钟乘以因数50。PLL乘法器不仅放大时钟抖动，还引入其自身的抖动， 主要是PLL压控振荡器 (VCO) 的RJ。频率乘以因数n的结果是相位噪声功率 载波比乘以 n2，所以抖动迅速变大。 100 MHz 参考时钟 发射机 并 行 输 入 序列器 x50 PLL 乘法器 时钟抖动: RJ、PJ、DCD 图 2. 时钟抖动对发射机的影响 图 3. PLL 频率响应 发射机中的PLL乘法器具有一定的频率响应，通常是如图 3所示的二阶 响应。非均匀频率响应会产生一个值得注意的问题: 时钟抖动实际上有什么 影响? 如果PLL非常出色且带宽为零，那么它将过滤掉所有的时钟抖动，从而 为发射机提供无抖动时基。当然，零带宽意味着无限锁定时间，所以我们不得 不综合考虑，但是PLL带宽越窄，参考时钟加入数据中的抖动就越小。确定时 钟是否能在系统中正常工作且符合预期的BER要求，需要对抖动频谱进行详 细测试。 典型的二阶 PLL频率响应: 功 率 (d B ) 3 ƒd = 5 GHz ƒc= 100 MHz ω 3 dB (Tx) 真实的抖动源 图 4. 实际环境中的抖动源 如果观察实际环境中的高速数字电路，您会发现许多抖动源，如图4所示。 跟我们前面讨论的一样，时钟信号通常分配给多个IC，时钟频率可能进行乘法 和/或除法运算。即使我们假设来自晶体振荡器的参考时钟具有较低的抖动， 但是由于 IC带来的附加噪声或其他设备产生的干扰，经过乘法或除法运算的 输出时钟也可能不是非常干净。 开关电源的噪声是一个主要污染源，开关频率一般为 100 kHz到1 MHz。 开关电源噪声可能会注入时钟信号线路，它在左下角的图 4 中显示为PJ。 其他周期抖动源可能是来自数据或时钟线路的干扰，或是在时钟线上的 互调产物 (见图4)。只要PJ分量出现在远离时钟频率处，就很有可能通过插入 带通滤波器 (或低通滤波器) 来消除这些抖动。然而，当周期抖动接近时钟频率 时会遇到问题，由于很难得到高频高Q滤波器。参考时钟的RJ也一样，时钟 除法器可能增加宽带噪声，这可能会使输出时钟信号的 RJ 增加。 要诊断各种问题，设计人员必须表征有关电路物理布局和/或工作环境下 的时钟抖动。 干扰Rx把时钟恢复成 主时钟 Rx 时钟 - 125 MHz Rx 时钟 - 62.5 MHz 干扰 Tx把时钟恢复成 主时钟 主时钟 (100 MHz) Tx时钟 - 1250 MHz 主时钟的随 机噪声 直流电源线的 开关噪声 物理布局实例 4 通过相位噪声测量 技术表征时钟抖动 全面分析时钟信号要求达到飞秒级精度，只有相位噪声测量技术才能达到 这种精度。相位噪声分析提供两种主要测量: 相位频谱密度Sϕ (fϕ) 和相位噪声 ϕ(t)，它们根据相位噪声测量带宽限制收集时钟的所有相位信息。 在相位噪声分析仪上分析RJ可以完成两个重要目标。首先，通过集成RJ 频谱，可以提取预定带宽中的相应RJ高斯分布宽度。其次，通过分析Sϕ，(fϕ) 的幂级数行为确定 RJ 的主要原因。(见图 5) 在相位噪声频谱中可以看到PJ分量的毛刺。所以PJ频率知识对于诊断问 题非常有帮助。参考每个PJ频率的PJ rms也能帮您了解每个PJ分量对总体 时钟抖动的影响，查看去除主要 PJ 分量之后总体抖动的变化。(见图 6) 图 6. 相位噪声测量的 PJ 频率分量 图 5. 利用相位噪声测量分析 RJ 5 通过 E5052B SSA的 先进体系结构进行 实时抖动测量 E5052B 抖动测量分辨率和本底噪声非常低，通常 10 Gbps 速率时的RJ 本底噪声仅为几飞秒。由于ADC的动态范围有限，且其内部参考时基的残余 抖动较大，高性能 (实时或采样) 示波器的抖动本底噪声通常在一百飞秒以上。 E5052B通过检测基带 (其中较大的载波信号已消除) 的相位噪声来保持宽动 态范围。E5052B 利用两个独立的内部测量通道之间的独特交叉关联技术， 将抖动测量极限扩大到低于其内部时基的残余抖动。(见图7)。与目前的高性 能示波器相比，E5052B利用这种交叉关联技术把抖动本底噪声降低了100倍 到 1000 倍。(见图 8) 与传统的抖动测量模式不同，带有 E5001A软件的 E5052B SSA 可以对 相位噪声测量进行实时抖动分析。该仪器使用PLL 提供参考源。它能够自动 检测时钟频率，在几毫秒内把内置参考源自动调谐为时钟频率，测量相位检 波器保持PLL所产生的噪声信号。通过可用于100 MHz抖动带宽测量的模拟 数字转换器 (ADC) 和用于频域数据的实时快速傅立叶变换 (FFT)，它可以以 250 MSa/s的速率捕获噪声信号，从而能显著提高测量速度。例如，1 kHz到 100 MHz 带宽的测量每次只需 0.3 秒。 内置参考源 SΦ (f)Ref_1 被测 信号 SΦ (f)DUT SΦ (f)Ref_2 SΦ (f)System_1 SΦ (f)System_2 数字控制的PLL和实时 FFT FFT 和关联 NCorrelation 显示 结果 SΦ (f)Meas 交叉关联技术 SΦ (f)Meas SΦ (f)DUT SΦ (f)Ref_1 SΦ (f)Ref_2 SΦ (f)System_1 SΦ (f)System_2 NCorrelation = + + + + 图 7. Agilent E5052B 信号源分析仪的先进体系结构 利用交叉关联技术 获得前所未有的 低抖动本底噪声 图 8. 利用交叉关联技术获得的出色抖动本底噪声 示波器 E5052B SSA 6 图 9表示直接应用于时钟相位噪声信号的PLL响应功能的结果。您可以 看到如何消除频谱的不同部分，使您可以分析与应用相关的抖动。E5052B对 相位噪声测量的实时抖动分析功能可加快您的设计进程。E5052B SSA可以 导入任何 PLL 响应函数，使您可以轻松快速地仿真设备到设备的PLL 响应。 实时仿真 PLL响应 图 9. 仿真 PLL 响应 对于高速串行数据应用，时钟抖动分析的主要目的是确定参考时钟的抖动 对系统比特误码率的影响。最精确的方法是使用在时钟应用中最坏情况下发 射机 (和接收机) 的传递函数，并测量获得的时钟RJ和PJ。在E5052B上运行 的E5001A精确时钟抖动分析软件改变了传统的抖动测量方式，它不仅能以飞 秒级分辨率对时钟抖动进行全面分析，而且具有出色的易用性和实时抖动分析 功能，可以帮助您加快设计验证过程。 一阶 HPF 没有 PLL 响应 含有 PLL相应 一阶 HPF 7 Agilent Open 简化连接和编程测试系统的过 程, 以帮助工程师设计、验证和制造电子产 品。Agilent 的众多系统就绪仪器, 开放工业 软件, PC 标准 I/O 和全球支持, 将加速测试 系统的开发。要了解更详细的情况, 请访问: www.agilent.com/find/openconnect。 www.agilent.com/find/agilentdirect 高置信地快速选择和使用您的 测试设备解决方案 www.agilent.com/find/emailupdates 得到您所选择的产品和应用的最新信息。 欢迎订阅免费的 www.agilent.com 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Agilent Technologies, Inc. 2008 出版号 : 5989-9849CHCN 2008 年 12 月 印于北京 请通过 Internet、电话、传真得到测试和 测量帮助。 在线帮助: www.agilent.com/find/assist 热线电话: 800-810-0189 热线传真: 800-820-2816 E-mail: tm_asia@agilent.com 香港热线: 800-938-693 香港传真: (852) 25069233 有关安捷伦开放实验室暨测量方案中心和安捷伦测试与测量技术认证, 请访问: www.agilent.com.cn/find/openlab 安捷伦电子测量事业部中文资料库: http://www.tm.agilent.com.cn/chcn/ 安捷伦承诺经我们维修和校准 的设备在返回您时就像新设备一样。 安捷伦设备在整个生命期中都保持 其全部价值。您的设备将由接受过 安捷伦专业的技术人员，使用 全新的工厂校准规范，自动维修诊 断步骤和正品备件进行维修和校准。 您可对您的测量充满信心。 安捷伦还为您的设备提供各种 测试和测量服务，包括入门级培 训、现场培训，以及系统集成和项 目管理。 要了解有关维修和校准服务的 详细情况，请访问: www.agilent.com/find/removealldoubt 安捷伦科技有限公司总部 地址: 北京市朝阳区望京北路 3 号 电话: 800-810-0189 (010) 64397888 传真: (010) 64390278 邮编: 100102 上海分公司 地址: 上海张江高科技园区 碧波路 690 号 4 号楼 1-3 层 电话: (021) 38507688 传真: (021) 50273000 邮编: 201203 广州分公司 地址: 广州市天河北路 233 号 中信广场 66 层 07-08室 电话: (020) 86685500 传真: (020) 86695074 邮编: 510613 成都分公司 地址: 成都市下南大街 6 号 天府绿洲大厦 0908-0912室 电话: (028) 86165500 传真: (028) 86165501 邮编: 610012 深圳分公司 地址: 深圳市福田中心区 福华一路六号免税商务大厦 3 楼 电话: (0755) 82763668 传真: (0755) 82763181 邮编: 518048 西安办事处 地址: 西安市高新区科技路 33号 高新国际商务中心 数码大厦 23 层 01-02室 电话: (029) 88337030 传真: (029) 88337039 邮编: 710075 安捷伦科技香港有限公司 地址: 香港太古城英皇道 1111 号 太古城中心 1 座 24 楼 电话: (852) 31977777 传真: (852) 25069256 Signal source analyzer www.agilent.com/find/ssa Jitter generation and analysis systems www.agilent.com/find/jitter