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高速信號抖動測試解決方案

wFVr_Hardware_1 ? 來源:硬件十萬個為什么 ? 2023-02-14 17:56 ? 次閱讀

概述

在高速傳輸?shù)臄?shù)字系統(tǒng)或是通訊系統(tǒng)當中,將信號完整無缺地從傳送到目的地為其首要目標。信號在傳輸?shù)倪^程當中因為傳輸線的損失、系統(tǒng)的噪聲,以及不可避免的人為因素,常使得信號失真,而傳輸抖動之現(xiàn)象,乃是今日研究之重要課題。在大都會之骨干網(wǎng)絡(luò)當中,為了提升傳輸系統(tǒng)誤碼率之質(zhì)量,通常會以低噪聲的前置放大器作為降低噪聲以及抖動的方法之一。通常隨著抖動量之增加,系統(tǒng)誤碼率便會提升。所以如何從正確地分析抖動之特性以及對傳輸系統(tǒng)所造成之影響為本文所討論之重點。安捷倫提供了一系列之抖動測試解決方案,使得用戶能在準確而快速的狀況下取得適合的數(shù)據(jù),亦能提供詳細之報表以作分析之用。本文將以眼圖作為抖動量測之開端,從抖動之基本定義來分析抖動對于整體傳輸系統(tǒng)之影響。圖一為大都會網(wǎng)絡(luò)傳輸概念圖。

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圖一 大都會網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

定義

任何數(shù)字傳輸系統(tǒng)必定存在兩種構(gòu)成要素,一是本質(zhì)數(shù)字信號( Deterministic Digital Signal),另一則是時鐘信號( Clock Signal)。時鐘信號又分為標準時鐘信號(Standard Clock)及依附時鐘信號(Embedded C lock)。所謂的抖動現(xiàn)象,乃是指本質(zhì)數(shù)字信號與時鐘信號所產(chǎn)生的一種相位差,亦可看做是一種相位調(diào)變信號。而在這時候,時鐘信號所扮演的是一種標準之參考信號。這種時間差的相位變化,經(jīng)過了一段時間可能形成一種周期性的正弦調(diào)變現(xiàn)象,而將其稱之為時域抖動現(xiàn)象,如圖二所示:

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圖二 抖動形成示意圖

抖動的形成通常我們會使用取樣示波器(Sampling Scope)來擷取其眼圖(Eye Diagram),根據(jù)眼圖之基本特性,來觀察其系統(tǒng)是否超過應(yīng)有遵循之規(guī)范由圖三可知,從交叉點(Crossing Poin)的寬度,即可得知抖動的大小。一般來說,在傳輸系統(tǒng)中發(fā)射端能產(chǎn)生多少抖動,以及接收端能承受多大范圍之抖動,都必須要有明確的規(guī)范與定義。

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圖3-1 取樣示波器下之眼圖

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圖3-2 規(guī)范眼圖之屏蔽

所以通常通訊規(guī)范組織會定義出一種屏蔽(Mask)來判定此通訊系統(tǒng)是否通過該傳輸協(xié)議下之規(guī)范。另外,解析抖動之精準度也和儀器以及系統(tǒng)之帶寬有極大之關(guān)系,首先要定義出抖動傳函(Jitter Transfer)之關(guān)系圖如圖四所示:

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圖四 抖動傳函示意圖

抖動傳函之定義就好比放大器之頻率響應(yīng)一般,即是輸出之抖動大小和輸入之抖動大小之比值對應(yīng)抖動頻率之關(guān)系示意圖。若一傳輸系統(tǒng)或是量測儀表之抖動傳函帶寬越大,則解析抖動之能力越佳。

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圖 5-1 圖 5-2

圖五 解析抖動能力之比較圖

由圖5-1 可看出若此系統(tǒng)之帶寬越大,所解析出來之抖動現(xiàn)象越差,會呈現(xiàn)較粗之眼圖以及不易辨識之本質(zhì)抖動(Deterministic Jitter)。圖5-2 乃是帶寬較大之系統(tǒng),其可解析出更為精密細致之抖動現(xiàn)象,由此便可反推抖動形成之原因及電路設(shè)計須要改進之地方。

附帶要提起的是,抖動又可分為本質(zhì)抖動( Deterministic Jitter)和隨機抖動(Random Jitter)兩種:

本質(zhì)抖動乃是系統(tǒng)端固有之抖動,形成之原因可能是本地震蕩之誤差,或是震動晶體所造成之誤差,它是可以預(yù)期的,也是可以被規(guī)范的。其又可分為周期性抖動( Periodic Jitter)、周期比例失真(Duty Cycle Distortion)以及交越干擾失真( Inter-Symbol Interference)三種。而隨機抖動則是沒有邊界的,通常形成的原因可能為系統(tǒng)之熱噪聲 (Thermal Noise),通常以隨機統(tǒng)計分布表來定義其大小。如圖六所示:

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圖六 隨機統(tǒng)計分布示意圖

安捷倫抖動量測解決方案

安捷倫在抖動測試技術(shù)上已有長達十余年之經(jīng)驗,主要可分為光通訊之抖動量測以及數(shù)字信號抖動測試。在光通訊方面最基本的便是誤碼測試儀( BERT)搭配取樣 示波器來完成普通抖動之量測,最通常之儀表則是86130A BitAlyzer 或是 N4906A SmartBERT 搭配86100B DCA 來完成。如圖七所示:

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圖7-1 N4906A

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圖7-2 86130A

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圖7-3 86100B

以圖7-3來說,DCA 量測普通之抖動最小可達到800fs,如果使用86107A Precis ion Time Base之模塊可達到200fs 之精準度,可說是目前世界上精準度最高之取樣示波器。若搭配誤碼測試儀來使用的話,可利用應(yīng)用軟件將本質(zhì)抖動以及隨機抖動利用浴缸法則(Bathtub Method)將其分離以及計算其大小。如圖八所示:它是利用誤碼率之臨界值(Threshold Value)以及眼圖之時域分布關(guān)系反算抖動之大小。

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圖八 浴缸法則應(yīng)用軟件

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圖九 壓縮眼圖測試法

另外在做Gigabit Ethernet 時,我們也常會利用壓縮眼圖測試法來量測接收器之靈敏度。通常會在發(fā)射端加入許多種類的抖動來壓縮傳輸眼圖,藉此來得知接收端的靈敏度。

另外在量測數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)時,最常量測的則是實時抖動量測(Re al Time Jitter Test),其中包含了時域區(qū)間誤差(TIE; Time Interval Error)以及抖動頻譜(Jitter Spectrum),時鐘信號的部分則包含了周期性抖動測試、Cycle to Cycle 測試以及N-Cycle。

上圖是使用安捷倫54855A 數(shù)字示波器所量測得知的數(shù)據(jù),黃色信號代表的是原始信號,紫色代表的是抖動量之大小,藍色的部分則是統(tǒng)計量之分布,紅色則是抖動之頻譜。所以實時量測所帶來之效率以及便利性是可想而知的。

結(jié)論:

抖動量測乃是數(shù)字通訊不可或缺一環(huán),在今日信號傳輸速度日益增進以及信號質(zhì)量的提升,誤碼率的測試亦是重要的一環(huán),安捷倫提供了完整之測試設(shè)備以及完整的測試解決方案提供業(yè)界快捷而迅速之報表,可提升研發(fā)的速度以及產(chǎn)線的良率。

審核編輯:湯梓紅

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原文標題:高速信號抖動測試解決方案

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