抖动测试技术

泰克亚太区巡回研讨会 2003年 Tim Margeson 高性能示波器产品 产品市场专员 Copyright 2003, Tektronix, Inc.2 抖动测量 4为什么要进行抖动测量? 0您需要在3.25Gb/s数据流上测量 50ps的峰峰值抖动,了解它对电路 误码率的影响 4抖动 –什么是抖动?怎样测量抖动? 4您应该熟悉的一些老的术语 4您应该熟悉的一些新的术语 4目前为客户提供的测量技术 4泰克为您提供的帮助:TDSJIT3 Copyright 2003, Tektronix, Inc.3 什么是抖动? 4什么是抖动? 4 “边沿距理想位置的偏差” 4抖动是由下述因素引起的: (及其它因素) 0热噪声 0注入的噪声 (EMI/RFI) 0电路不稳定 0传输损耗 Copyright 2003, Tektronix, Inc.4 热噪声 4与后台通话一样 0随机,而且不断变化 0一般呈高斯分布! 0内部热效应 4闪烁噪声 4散射噪声 4Johnson噪声 0外部辐射源 Copyright 2003, Tektronix, Inc.5 注入的噪声和电路不稳定 4与不想要的帮助一样 0来源通常是固定的、可以识别的 0电源和振荡器 0通常拥有谐波成分 0相邻轨迹上的瞬变 0电缆或布线, piezo材料 0远距离来源很少 4PLL问题： 0环路带宽 (变化速度/速率) 0受到静带振荡/寻线的困扰 Copyright 2003, Tektronix, Inc.6 传输损耗 4没有完美的导线 4传输 0趋肤效应 0介质吸收 4反射 0阻抗不匹配 0阻抗不连续性 Copyright 2003, Tektronix, Inc.7 回顾 您应该已经知道： 4周期抖动 4周期间抖动 4时间间隔误差 (TIE) 4时钟抖动 4数据抖动 0时钟恢复 4单位间隔 4BER误码率 Copyright 2003, Tektronix, Inc.8 周期抖动 4周期抖动用来衡量信号周期在大量循环上的变化 4平均 0(周期测量结果的平均值) 4偏差 0(周期测量结果的均方根RMS) 4峰峰值 0(最小周期和最大周期之差) 4周期之间没有要求！ Copyright 2003, Tektronix, Inc.9 使用ET的周期抖动 Copyright 2003, Tektronix, Inc.10 周期间抖动 4周期间抖动用来衡量信号在相邻周期之间的周期变化 4平均值 0(周期变化的平均值) 4标准偏差 0(周期变化的均方根RMS值) 4峰峰值 0(最小变化和最大变化之差) 4这是一种周期差的测量! Copyright 2003, Tektronix, Inc.11 时间间隔误差 4TIE抖动用来衡量相对于已知时钟或恢复时钟的定时误差 4平均值 0(定时误差的平均值) 4标准偏差 0(定时误差的均方根RMS值) 4峰峰值 0(最小误差与最大误差之差) 4这种测量要求参考时钟！ Copyright 2003, Tektronix, Inc.12 时间间隔误差 TIE IDEAL SAMPLE POINT Copyright 2003, Tektronix, Inc.13 抖动测量 P2 P3 P4P1 周期抖动 = 18.3ps 标准偏差 (0.990/1.010/0.980/1.020) 周期间抖动 = 36.1ps 标准偏差 (0.020/-0.030/0.040) TIE = 9.6ps 标准偏差 (-0.010/0.000/-0.020/0.000) 0.990ns 1.010ns 0.980ns 1.020ns 0.0ns 0.990ns 2.000ns 2.980ns 4.000ns 0.020ns -0.030ns 0.040ns -0.010ns 0.000ns -0.020ns P Cy-Cy TIE 0.000ns Copyright 2003, Tektronix, Inc.14 时钟恢复 4 许多串行总线中必须在没有硬件时钟的情况下进行TIE测量，可以使用软件 恢复时钟。时钟恢复技术有两种： 4 线性最小均方拟合 0使用可用的数据构建时钟。时钟频率设成数据的平均频率。调节时钟的 相位，以使TIE达到最小。 4 锁相环 (如黄金标准PLL) 0与上面的方法一样，使用可用的数据构建时钟。但在测量数据的TIE时， PLL会跟踪数据，调节频率和相位，直到预设的带宽极限。与硬件PLL跟 踪方式类似。 4 智能选通 Copyright 2003, Tektronix, Inc.15 UI和BER 4UI: 单位间隔 0传送一个比特的额定周期 4BER: 误码率 0用来描述预计的或测得的数据流差错率或好的码数与错的码数之 比 0一般规定低于10E-12 Copyright 2003, Tektronix, Inc.16 新的术语 您应该了解下述术语： 4合成抖动 4总抖动 (Tj) 4随机抖动 (Rj) 4确定性抖动 (Dj) 0周期性抖动 (Pj) 0占空比失真 (DCD) 0码间干扰 (ISI或DDJ) Copyright 2003, Tektronix, Inc.17 合成抖动 4传统的眼图闭合测量值 4抖动值包括所有 Rj+Dj成分 4示为 1 sigma RMS或Pk-Pk 4没有界限，结果按测量时间而不同 11k 波形 = 124ps Pk-Pk 572M波形= 173ps P-P σ = 22.7ps σ = 23.4ps Copyright 2003, Tektronix, Inc.18 随机抖动 4具有随机特点的抖动呈高斯分布 4直方图 (估算) ↔ pdf (数学运算模型) 4峰到峰 = … 没有界限! 1-sigma or RMS 7-sigma Copyright 2003, Tektronix, Inc.19 确定性抖动 4确定性抖动呈非高斯分布，有界限 4直方图 = pdf (足够接近) 峰到峰 Copyright 2003, Tektronix, Inc.20 周期性抖动 4TIE随时间的变化，是一个重复的波形 4相当于调频 (FM) 峰到峰 Copyright 2003, Tektronix, Inc.21 占空比失真 4上升时间与下降时间的不对称 4不适当的判定门限选择 0.0v -0.1v Copyright 2003, Tektronix, Inc.22 码间干扰 4 ISI或DDj或PDj –可以互换使用 4码型对后续码的影响 0由于传输线效应、反射等 Copyright 2003, Tektronix, Inc.23 总抖动@ BER 随机成分 确定性成分 峰到峰 1-sigma或 RMS pfd: Tj = Dj Rj (卷积) Pk-Pk: Tj = (N*Rj) + Dj , 其中 N 是想要的 sigma Copyright 2003, Tektronix, Inc.24 直方图与眼图 4眼图的张开程度是多少？ (…取决于观察的时间) ? Copyright 2003, Tektronix, Inc.25 眼图张开程度与误码率 p d f1 p d f2 c d f2 1 2 A B C c d f1 E y e o p e n fo r B E R @ 1 .0 E -1 2 Copyright 2003, Tektronix, Inc.26 统计101 概率密度函数 (pdf) 4描述了随机变量落在一定范围内的概率 4Pdf的总面积为1 累积分布函数 (cdf) 4描述了“随机变数”小于一定值的概率 4 cdf是pdf的积分 pdf cdf Copyright 2003, Tektronix, Inc.27 统计101(续) 定理: 两个独立随机变数之和 4如果两个随机变数是独立的，那么两者之和的pdf是 各自pdf的卷积 中心极限定理 4如果N个随机变数是独立的，当N趋向无穷大，那么 这些随机变数之和的pdf将呈高斯分布 = Copyright 2003, Tektronix, Inc.28 20k总量的直方图 4 估算cdf; 我们可以预测BER = 1e-4的眼睛睁开度吗? Copyright 2003, Tektronix, Inc.29 分离Rj/Dj从而进行PDF估算 4 分离Rj/Dj后恢复Dj的直方图，分析计算Rj的 pdf。可以很容易得到 7 sigma (1E-12)。 Copyright 2003, Tektronix, Inc.30 BER估算 使用眼图统计 Copyright 2003, Tektronix, Inc.31 Nutshell中的Rj/Dj 4 开始于 0TIE 0PLL TIE 4 执行 FFT 0确定频率和码型 速率 0对码型相关的二 元组求和 0对不相关的周期 二元组求和 0测量其余二元组 的 RMS 0估算 BER Copyright 2003, Tektronix, Inc.32 当前的测量技术 4抖动测量: 0等时取样方法 0.8ps的触发抖动和抖动本底噪声 (泰克 TDS8000B) 0时间间隔分析仪 (10万美元, 单一用途) 0BERT (30万美元, 速度慢，价格高) 0实时示波器方法 < 0.7ps的本底噪声 (泰克TDS6604) 4抖动分隔: Rj/Dj和BER 0ET示波器平均 (帧扫描) 0TIA和分析软件 0泰克DSO/DPX示波器，装有TDSJIT3软件 Copyright 2003, Tektronix, Inc.33 ET光标方法 Copyright 2003, Tektronix, Inc.34 ET直方图方法 Copyright 2003, Tektronix, Inc.35 ET/RT自动方法 Copyright 2003, Tektronix, Inc.36 BERT方法 4标准BER测量技术 0对1 Gb/s数据流完整地测量1E-12误码BER需要很长的时间 (1E12/1E9 = 1E3s 或 16.7分钟/误码) BERT采集DUTBERT信号输出 但拥有良好的信 号源，可以使用 BERT扫描 Copyright 2003, Tektronix, Inc.37 T1 T2 T3 T4 时间间隔方法 4 T1-T2然后重新装备，T3-T4然后重新装备… 4 没有连续的时间记录，意味着不能捕获抖动的频率成分 (可以推导得出抖动 的频率成分) 4 在几秒内进行的测量在抖动结果中包括漂移 开始 停止 装备 开始 停止 装备 Copyright 2003, Tektronix, Inc.38 TDSJIT3实时方法 4 专有的 Rj/Dj 分离和BER估算方 法 0 基于实时采集数据 0 包括黄金标准PLL TIE测量 0 使用频谱分析分解抖动成分 0 宽的噪声余量 –甚至可以处理重 大的系统噪声 0 处理短的或长的数据重复 –不要 求码型细节 (用户提供信息速率 和码型长度) 0 在数据中的任何随机点上触发 0 用于 CSA7000, TDS5000, TDS6000, TDS7000仪器 0 Rj, Dj, Pj, DCD, ISI, BER结果 Copyright 2003, Tektronix, Inc.39 Jit 3 –进行良好的测量 4 Jit 3要求对示波器采集系统有基本了解，以获得最好、最准确的结果 4 垂直幅度、水平标度和取样速率是达致测量可重复性的关键因素 0垂直标度: 努力使垂直标度最大化，达到6格或更多。这可以最大限度地降低垂直噪 声的影响。 0水平标度: 样本总量越大越好。对Rj/Dj，必须在一次采集中捕获100个重复的信号码 型。样本总量大的缺点是，采集时间会随着记录长度提高。 0取样速率: 必须至少捕获测得边沿上的两个点 –最好是三个点。这意味着为测量上 升时间为100ps的电路，可以使用的最小取样间隔是 50ps/pt。200ps边沿要求 100ps/pt, 但最好是50ps/pt。 0其它: 仅使用 Sin(x)/x 插补模式 Copyright 2003, Tektronix, Inc.40 Jit 3 –行业关联 4 BERT 关联 0 如果不能符合公认的标准，那 么工具是没有用的 0 TDSJIT3在2% - 3%范围内与 BER相关 Results for PRBS-7 Data Pattern Raw Noise (10ps rms) Sinusoidal (100KHz) Sinusoidal (50MHz) JIT3 BERT Diff JIT3 BERT Diff JIT3 BERT Diff JIT3 BERT Diff Freq 1.0625G 1.0625G 0.0 1.0625G 1.0625G 0.0 1.0625G 1.0625G 0.0 1.0625G 1.0625G 0.0 PRBS-7 BER eye open eye open eye open eye open (127 bits) 1.00E-02 97.4 97.1 0.3 95.2 95.2 0.0 95.0 95.4 -0.4 95.1 95.4 -0.3 1.00E-03 96.6 96.2 0.4 93.2 93.2 0.0 93.5 93.8 -0.3 93.7 93.7 0.0 1.00E-04 96.0 95.6 0.4 91.8 91.6 0.2 92.3 92.1 0.2 92.5 92.4 0.1 1.00E-05 95.5 95.4 0.1 90.5 90.1 0.4 91.4 91.1 0.3 91.6 91.3 0.3 1.00E-06 95.1 95.2 -0.1 89.4 88.8 0.6 90.6 90.1 0.5 90.8 90.7 0.1 1.00E-07 94.7 95.1 -0.4 88.3 88.3 0.0 89.8 89.4 0.4 90.2 90.0 0.2 1.00E-12 93.2 94.2 -1.0 84.2 82.1 2.1 87.0 85.5 1.5 87.5 85.9 1.6 RJ 3.34ps Noise/Com 22db 7.79ps Noise/Com 12db 5.93ps Noise/Com 17db 5.78ps Noise/Com 17db DJ 24.34ps Sine 27.88ps Sine 56.78ps Sine 53.86ps Sine PJ 5.23ps Freq 100K 3.96ps Freq 100K 37.90ps Freq 100K 33.31ps Freq 50M DCD 4.60ps Mag 1mv 6.10ps Mag 1mv 4.08ps Mag 150mv 4.63ps Mag 150mv DDJ 14.52ps 17.82ps 14.80ps 15.92ps difference in %UI exterpolated Copyright 2003, Tektronix, Inc.41 Jit 3 –行业关联 4 BERT 关联 Copyright 2003, Tektronix, Inc.42 4实时示波器常见问题 0问: 取样间隔为50ps，测量报告不到一皮秒，怎样进行处理？ 0答: 进行科学的数学运算。 0取样理论几十年来一直处理取样不足和过度取样的系统，它规定 了我们怎样测量激光脉冲、雷击、粒子碰撞等项目。取样理论规 定，如果对频带有限的信号过度取样，可以使用这样样点，使用 SIN(X)/X插补建立原始信号的数学模型。 我们怎样测量抖动 Copyright 2003, Tektronix, Inc.43 实际信号 Copyright 2003, Tektronix, Inc.44 Sin(x)/x 插补 4原始样点对比插补结果 0原始波形是由20个50ps取样间隔的样点组成 0插补波形是由2000个0.5ps取样间隔的样点组成 0使用线性插补0.5ps或更少间隔的样点 raw Sin(x) Copyright 2003, Tektronix, Inc.45 插补中点 4 线性插补对比 Sin(x)/x插补 (Sinc函数) 0线性波形是由500个2.0ps间隔的样点所组成 –注意增加的HF成分 0Sin(x)/x波形是由500个2.0ps间隔的样点所组成–注意正常的HF成分 0Sin(x)/x使用系统带宽和频率成分，更加精确地重建原始波形 linear Sin(x) Copyright 2003, Tektronix, Inc.46 摘要 4如需更多信息： 0http://www.tektronix.com/jitter 0http://www.tektronix.com/serial_data 4获得下述资料 0抖动和串行数据基本读物 4谢谢您的参与！