簡介

隨著數據速率的提高，時鐘抖動分析的需求也在與日俱增。在高速串行數據鏈路中，時鐘抖動會影響發射機、傳輸線和接收機的數據抖動。保證時鐘質量的測量也在不斷發展。目前的重點是針對比特誤碼率，在時鐘性能和系統性能之間建立直接聯系。我們將探討參考時鐘的作用和時鐘抖動對數據抖動的影響，并討論在E5052B信號源分析儀（SSA）上運行的Agilent E5001A精確時鐘抖動分析應用軟件所配備的全新測量技術。該應用軟件提供了前所未有的強大能力，可以對隨機抖動（RJ）和周期抖動（PJ）分量超低RJ測量和實時抖動頻譜分析，使您能夠提高設計質量。我們還將對新解決方案的實時測量功能進行討論，這一功能能夠加快設計驗證過程。

參考時鐘在高速串行應用中的作用

圖1是參考時鐘的主要分量。發射機通常將一組速率較低的并行信號轉換成串行數據流。信號經過一條包括多個背板和電纜的傳輸通道進行傳送。接收機通常會解釋輸入的串行數據，從中分離出時鐘，再把串行數據重新轉換成并行數據流。在許多諸如此類的說明中，參考時鐘更多地被視為一種分量但不是主要分量，而在高速串行數據系統中，我們必須承認參考時鐘是一種主要分量。通常，參考時鐘的振蕩速率遠遠低于數據速率，但它會在發射機中成倍增長。發射機使用參考時鐘來確定串行數據流中的邏輯變換定時。發射的數據中包括參考時鐘的特征。在接收機中可能會出現兩種不同的情況。如果未分配參考時鐘，則接收機會利用鎖相環（PLL）從數據流中還原時鐘――并利用該時鐘定位采樣時間點。如果已分配參考時鐘，則接收機會同時使用數據信號和參考時鐘來定位采樣點。

時鐘抖動對發射機數據抖動的影響

參考時鐘是最終的系統定時源。它為發射機、已分配和未分配的時鐘系統提供時基，而接收機的時鐘恢復電路可以重現參考時鐘特征。現在我們將探討時鐘抖動如何在系統發射機中進行傳輸。

發射機必須用適當的因數乘以參考時鐘獲得數據速率，才能確定邏輯變換定時。例如，對于100 MHz參考時鐘和5 Gb/s輸出信號，發射機將用PLL給參考時鐘乘以因數50。PLL乘法器不僅放大時鐘抖動，還引入其自身的抖動，主要是PLL壓控振蕩器（VCO）的RJ。頻率乘以因數n的結果是相位噪聲功率載波比乘以n2，所以抖動迅速變大。

發射機中的PLL乘法器具有一定的頻率響應，通常是如圖3所示的二階響應。非均勻頻率響應會產生一個值得注意的問題：時鐘抖動實際上有什么影響？如果PLL非常出色且帶寬為零，那么它將過濾掉所有的時鐘抖動，而為發射機提供無抖動時基。當然，零帶寬意味著無限鎖定時間，所以我們不得不綜合考慮，但是PLL帶寬越窄，參考時鐘加入數據中的抖動就越小。確定時鐘是否能在系統中正常工作且符合預期的BER要求，需要對抖動頻譜進行詳細測試。

真實的抖動源

如果觀察實際環境中的高速數字電路，您會發現許多抖動源，如圖4所示。跟我們前面討論的一樣，時鐘信號通常分配給多個IC，時鐘頻率可能進行乘法和/或除法運算。假設來自晶體振蕩器的參考時鐘具有較低的抖動，因為IC帶來的附加噪聲或其他設備產生的干擾，所以經過乘法或除法運算的輸出時鐘也可能不是非常干凈。

一個主要污染源就是開關電源的噪聲。開關頻率一般為100 kHz到1 MHz。開關電源噪聲可能會注入時鐘信號線路，它在左下圖中顯示為PJ。

其他周期抖動分量的來源可能是數據或時鐘線路的干擾，經互調后可能位于時鐘線上，也顯示為PJ分量。只要PJ分量表現的遠離時鐘頻率，它就極有可能插入帶通濾波器（或低通濾波器）來消除這些抖動。然而，問題是周期抖動在什么時間接近時鐘頻率，因為高頻高Q濾波器很難得到。參考時鐘的RJ也一樣，時鐘除法器可能添加寬帶噪聲，這可能會使輸出時鐘信號的RJ增加。

要診斷各種問題，設計人員必須表征有關電路物理布局和/或工作環境下的時鐘抖動。

通過相位噪聲測量技術表征時鐘抖動

全面分析時鐘信號要求達到飛秒級精度，只有相位噪聲測量技術才能達到這種精度。相位噪聲分析提供兩種主要測量：Sj（fj）和j（t），它們根據相位噪聲測量帶寬限制收集時鐘的所有相位信息。

在相位噪聲分析儀上分析RJ可以完成兩個重要目標。首先，通過集成RJ頻譜，可以提取預定帶寬中的相應RJ高斯分布寬度。其次，通過分析Sj（fj）的冪級數行為確定RJ的主要原因。（圖5）

在相位噪聲頻譜中可以看到PJ分量的雜散。所以PJ頻率知識對于診斷問題非常有幫助。參考每個PJ頻率的PJ rms也能幫您了解每個PJ分量對總體時鐘抖動的影響，查看去除主要PJ分量之后總體抖動的變化。（圖6）

通過先進的體系結構進行實時抖動測量

與傳統的抖動測量模式不同，帶有E5001A軟件的E5052B SSA可以對相位噪聲測量進行實時抖動分析。該儀器使用PLL提供參考源。它能夠自動檢測時鐘頻率，在幾毫秒內把內置參考源自動調諧為時鐘頻率，測量相位檢波器保持PLL所產生的噪聲信號。它在250 MSa/s ADC上捕獲噪聲信號，從而可以進行100 MHz抖動帶寬測量。該測量涵蓋OC-192抖動分析范圍。實時FFT可以獲得頻域數據，并能顯著提高測量速度。例如，1 kHz到100 MHz帶寬的測量每次只需0.3秒。

利用交叉關聯技術獲得出色的抖動本底噪聲

E5052B抖動測量分辨率和本底噪聲非常低，通常10Gbps速率時的RJ本底噪聲僅為幾飛秒。由于ADC的動態范圍有限，且其內部參考時基的剩余抖動較大，高性能（實時或采樣）示波器的抖動本底噪聲通常在一百飛秒以上。E5052B通過檢測基帶（其中較大的載波信號已刪除）的相位噪聲來保持寬動態范圍。E5052B利用兩個獨立的內部測量通道之間的獨特交叉關聯技術，將抖動測量極限擴大到低于其內部時基的殘余抖動。（參見圖7）與目前的高性能示波器相比，E5052B利用這種交叉關聯技術把抖動本底噪聲降低了100倍到1，000倍。（圖8）

實時仿真PLL響應

圖9表示直接應用于時鐘相位噪聲信號的PLL響應功能的結果。您可以看到如何消除頻譜的不同部分，使您可以分析與應用相關的抖動。E5052B對相位噪聲測量的實時抖動分析功能可加快您的設計進程。E5052B SSA可以導入任何PLL響應函數，使您可以輕松快速地仿真設備到設備的PLL響應。

總結

對于高速串行數據應用，時鐘抖動分析的主要目的是確定參考時鐘的抖動對系統比特誤碼率的影響。最精確的方法是對時鐘應用發射機（和接收機）在最壞情況下的傳遞函數，并測量獲得的時鐘RJ和PJ。在E5052B上運行的E5001A精確時鐘抖動分析軟件改變了傳統的抖動測量方式，它不僅能以飛秒級分辨率對時鐘抖動進行全面分析，而且具有出色的易用性和實時抖動分析功能，可以幫助您加快設計驗證過程。

責任編輯：gt