如何用示波器測量確定性抖動

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(yè)而不適用。其實利用普通數(shù)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(wǎng)和光通路元件來說是一個挑戰(zhàn)。抖動可以分成兩類，即隨機性(??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(xiàn)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(lián)抖動。

產(chǎn)生確定性抖動的主要原因有：

1．基準電平模糊。由系統(tǒng)低頻截止點引起，它會在長串連續(xù)同樣數(shù)字(CID)附近產(chǎn)生抖動。

2．系統(tǒng)帶寬不足。這會阻止某些脈沖達到穩(wěn)態(tài)水平，在分隔的脈沖(如..010..或..101..數(shù)據(jù)序列)上引起抖動。

3．放大器偏置?？稍诿看螖?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時引起脈寬變形。

4．非線性放大器效應。它會產(chǎn)生不可預測的抖動影響，經(jīng)常在長串CID之后引起抖動。

5．電源噪聲和串擾。會產(chǎn)生與數(shù)據(jù)輸入無關的抖動(有時稱作有限無關聯(lián)抖動)。

光纖通訊系統(tǒng)中，抖動會在每個元件上累積。在接收端，時鐘和數(shù)據(jù)恢復電路(CDR)分析數(shù)據(jù)并分解出串行速率時鐘，CDR上的抖動表現(xiàn)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(shù)據(jù)通信中出現(xiàn)大量錯誤。

抖動余量考慮

為防止上面所說的這種情況出現(xiàn)，系統(tǒng)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(shù)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(wǎng)系統(tǒng)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(jīng)常表示一幀的開始或結(jié)束。重復的K28.5序列(輪流由K28.5+和K28.5-構(gòu)成)含有數(shù)據(jù)串0011111010110000010，它有五個連續(xù)的1和五個連續(xù)的0(8B/10B譯碼數(shù)據(jù)中最長連續(xù)同樣數(shù)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(jié)合在一起)。眼圖法的主要優(yōu)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(tǒng)引起的抖動去掉。

用眼圖法時應清楚觸發(fā)方式會掩蓋大部分確定性抖動，例如假設序列發(fā)生器每10個時鐘周期提供一次觸發(fā)，如果序列長度是偶數(shù)，那么示波器就不會在奇數(shù)位上觸發(fā)，這會將一些轉(zhuǎn)換掩蓋掉，利用奇數(shù)長度序列或在序列發(fā)生器時鐘輸出上的觸發(fā)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(huán)來恢復示波器觸發(fā)時鐘，該鎖相環(huán)是針對特定協(xié)議的。另外如果被測器件內(nèi)有光學元件，還需要增加適當?shù)墓庾儞Q器(光-電或電-光轉(zhuǎn)換器)。必要時可假設光轉(zhuǎn)換器或鎖相環(huán)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(fā)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(fā)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(zhuǎn)換的預期交叉時間(最好是單位時間間隔，但應跳過沒有轉(zhuǎn)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(shù)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(fā)，顯示盡可能短以減少觸發(fā)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6?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(lián)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(chǎn)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(tǒng)，該技術則太過困難用不能使用，因為這類系統(tǒng)的測試序列一般都很長。例如通常用于測試擾頻數(shù)據(jù)系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)引入的抖動，然后對測量進行調(diào)整。把被測器件從測試裝置上拿掉并判定數(shù)據(jù)圖形每次轉(zhuǎn)換的抖動可測出系統(tǒng)誤差，然后把被測器件放回到測試系統(tǒng)，再次測量抖動值，可通過算術方法判定出被測器件產(chǎn)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(tǒng)的以太網(wǎng)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。