中心議題：

• 數據采樣的定時分析
• 抖動分量產生原因分析與解決

解決方案：

• 示波器具有較寬的帶寬
• 較高的采樣率、內插精度和軟件數學運算庫
• 特有的抖動/噪音分析軟件包

由於不斷追求更高性能，有效數據窗的單位間隔(UI)繼續縮短。速率為1Gbps時，UI為1000ps;5Gbps縮短為200ps;10Gbps則為100ps。對於100ps的有效數據窗，在係統沒有連貫而可靠地發送和接收數據之前，隻能容忍很小的Tj(總抖動)。以上述速度傳輸時，Tj結果需遠小於100ps
，而Rj(隨機抖動)更是以飛秒(fs)為單位。有什麼技術和工具能用來檢定這些飛秒係統呢?

基本上，隨著速度的提升，高速I/O設計遭遇到較以往更大的挑戰。很多最新標準要求物理層的比特誤碼率為10–12。然而，隨著UI逐漸縮小，要想保持這個數量級的誤碼率也越來越難。最終，這就意味著設備級抖動要繼續縮短。例如，5Gbps的SuperSpeedUSB3.0規定Rj為2.42psRMS;10Gbps的SFP規定Tj為28ps
，Rj為1ps左右。

定時分析

所有采用電壓變換來體現定時情況的電氣係統
，都伴有討厭的定時抖動。當信號速率不斷提高、dianyabaidongsuoxiaoyijiangdigonghaoshi
，xitongdedoudongzaixinhaofasongjiangezhandaoxiangdangdadebizhong。zhezhongqingkuangxia，doudongchengweijibendexingnengxianzhi。shifoujuyoudoudongjiandingnengli，duichenggongyunyongfuhexingnengyaoqiudegaosudisandai(Gen3)係統至關重要。如圖1所示，每個時鍾的數據級
、上升沿和下降沿都在D處表示出來。數據鎖存是數據通信的關鍵環節，無論在何種工具(示波器或軟件仿真係統)上
，都以眼圖形式顯示。在每個時鍾上，邊沿的定時位置(如果有的話)有助於時鍾/數據延時統計分布。這種位移即抖動或時間間隔誤差(TIE)。

TIE抖動是相對已知或已恢複時鍾測量出的信號定時誤差。在串行數據的應用中

，TIE通常被稱為抖動。TIE很重要
，因為其甚至能顯示一段時間內少量抖動的累積效應。以圖2為例
，每毫微秒時鍾邊沿的TIE標準偏差是9.6ps。


圖1:串行數據中的抖動，每個時鍾的數據級、上升沿和下降沿都在D處表示出來。數據鎖存是數據通信的關鍵環節，在示波器上以眼圖形式顯示。

圖2:TIE抖動測量有其他方法測量單波形抖動，包括周期性抖動和cycle-to-cycle抖動。

然而，測量信號波形上抖動的方法還包括測量周期抖動(periodjitter)和相鄰周期間抖動(cycle-to-cyclejitter)。周(zhou)期(qi)抖(dou)動(dong)是(shi)對(dui)信(xin)號(hao)的(de)測(ce)量(liang)
，通(tong)常(chang)針(zhen)對(dui)從(cong)一(yi)個(ge)沿(yan)到(dao)另(ling)一(yi)相(xiang)似(si)沿(yan)的(de)重(zhong)複(fu)信(xin)號(hao)。常(chang)見(jian)的(de)周(zhou)期(qi)測(ce)量(liang)工(gong)具(ju)


，會(hui)測(ce)量(liang)某(mou)一(yi)信(xin)號(hao)的(de)上(shang)升(sheng)沿(yan)到(dao)下(xia)一(yi)上(shang)升(sheng)沿(yan)之(zhi)間(jian)的(de)數(shu)值(zhi)。采(cai)用(yong)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)方(fang)式(shi)(如DDR內存)，tongshiliyongshangshengyanhexiajiangyanlaijishishujubite
，zheshiceliangzhouqijinweibangezhouqi。zaicaijizhouqiceliangzhideyouxiaoyangzhihou，kefenbianbiaozhunpianchahefengzhi。gaitongjishujujixinhaozhongdezhouqixingdoudong。

對於相鄰周期間抖動
，通過應用簡單算法計算剛剛獲取的周期測量值。如果已知兩個相鄰周期的定時信息，其差值便是相鄰周期間變化：周期1減去周期2。此外，對周期進行有效采樣，並測量周期間的差值後
，即可得出標準偏差和峰值。統計出的數據即相鄰周期間抖動。[page]

抖動分量

將抖動按組成進行拆分，可提高精度並看清BER性能的根源。最常用的抖動模型基於圖3所示的分級結構。雖然也有分析抖動的其他方法，但這種方法是T11FC-MJSQ所認可，且目前最為常用的
，因為它直接顯示與BER性能相關的分量。


圖3:按抖動類型進行的抖動分析

在這種分級結構中
，首先將總抖動分為兩類：隨機抖動和確定性抖動(Dj)，然後再將確定性抖動分為若幹類：周期抖動(Pj
，有時也稱正弦波抖動或Sj)
、占空比抖動(DCD)以及數據相關抖動(DDj
，也稱符號間幹擾ISI)。有時也會加入另外一個類別，即有界不相關抖動BUj。

如果要測量在高信號速率時構成Tj的各分量，應采用本底噪聲低
、頻率響應平穩、抖動測量底限低和觸發抖動小的儀器。例如，ONSemiconductor發現在檢定其高速ECL器件時
，需采用係統抖動<200fsRMS而且帶寬較寬的儀器。芯片設計者發現幾個ps的信號移位，甚至是在fs範圍內的移位，也可能幹擾發送(TX)和接收(RX)性能。

zhidezhuyideshi，jinguandaduoshuchuanxingtongxinbiaozhundouduidoudongrongchahuodoudongxianzhizuochuguiding，danqizhongsuocaiyongdejishucanshujiaoweimohu
，huozhezaifenxidoudongshicaiyonglebutongdejibenyuanli。biaozhunwenjianqingxiangyugaishukelianghuadedoudongxianzhi，danbingmeiyoutichuduoshaozhidaoyijianlaibangzhuquedingzaitedingyingyongshinayizhongxianzhigengweizhongyao。gezhongxingshidedoudongdouyoukenengganraoxitongBER，不同的工具在檢測抖動時有不同的優勢。
解決具有挑戰性的抖動測量問題

最(zui)常(chang)見(jian)的(de)抖(dou)動(dong)捕(bu)捉(zhuo)分(fen)析(xi)儀(yi)器(qi)是(shi)實(shi)時(shi)示(shi)波(bo)器(qi)。現(xian)代(dai)數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)表(biao)緊(jin)緊(jin)跟(gen)隨(sui)逐(zhu)漸(jian)提(ti)升(sheng)的(de)數(shu)據(ju)率(lv)步(bu)伐(fa)，可(ke)配(pei)置(zhi)對(dui)抖(dou)動(dong)及(ji)其(qi)分(fen)量(liang)進(jin)行(xing)詳(xiang)細(xi)分(fen)析(xi)的(de)集(ji)成(cheng)應(ying)用(yong)軟(ruan)件(jian)。不(bu)過(guo)，選(xuan)擇(ze)範(fan)圍(wei)並(bing)不(bu)局(ju)限(xian)於(yu)DSA和DPO。其他完全不同的工具也有自己的優勢
，其測量能力會出現部分重疊。這些工具包括誤碼率測試儀(BERT)、抖動分析儀、計數器/定時器和頻譜分析儀。

實時示波器是電子研發和設計中最常用的測量工具之一
，因此當需要分析研究抖動問題時，它很可能成為第一道“防線”。DSA/DPO可在其帶寬和分辨率範圍內進行幾乎所有類型的抖動測量。

DSA/DPO具有抖動測量多功能性的原因在於：它可在多個DUT工作周期內捕捉很長的時間窗。由於示波器的采樣存儲器中保存著過去很長時間波形活動的曆史記錄
，因此我們能對隨著上升時間、脈衝寬度和各種抖動變化而變化的屬性進行研究。

能處理10Gbps數據率的高端示波器的適用特性如下：
*20GHz帶寬;
*抖動本底噪聲低，大約300fs(300x10-15s)，能夠最小化DUT抖動測量對示波器的依賴性。
*8位捕捉，提供了足以應對最新串行標準的動態範圍，適合16級調製方案。

方程式的重要部分是能提供使抖動測量和分析自動完成的工具集。抖動測量屬於一個精細學科，但也有助於提供專用的軟件解決方案(假設示波器平台支持這種功能)。

有些應用的要求超過了實時DSA/DPO示波器的能力。這些儀器的實時帶寬和分辨率必須與DUT的de數shu據ju率lv及ji其qi諧xie波bo相xiang當dang。此ci外wai，部bu分fen形xing式shi的de多duo級ji調tiao製zhi對dui儀yi器qi區qu分fen不bu同tong級ji別bie的de能neng力li有you苛ke刻ke的de要yao求qiu。這zhe種zhong情qing況kuang下xia，采cai用yong另ling一yi種zhong抖dou動dong測ce量liang工gong具ju將jiang更geng為wei合he適shi。

采樣示波器

取樣示波器給抖動測量提供了較寬的帶寬。取樣示波器可能是觀察數據率高達60Gbps信號的唯一有效工具。而且

，當需要捕捉相對較“慢”的信號諧波時，也適合采用取樣示波器。

取qu樣yang示shi波bo器qi根gen據ju重zhong複fu性xing輸shu入ru樣yang本ben來lai構gou建jian波bo形xing采cai集ji，波bo形xing樣yang本ben來lai源yuan於yu無wu數shu個ge周zhou期qi。許xu多duo類lei型xing的de串chuan行xing設she備bei都dou能neng提ti供gong產chan生sheng這zhe種zhong重zhong複fu波bo形xing流liu的de診zhen斷duan回hui路lu，或huo者zhe利li用yong外wai部bu數shu據ju生sheng成cheng器qi作zuo為wei驅qu動dong源yuan。

取樣示波器可配置應用特有的抖動/噪音分析軟件包
，以提供抖動分離、噪聲分離和BER目測等抖動分析功能。

影響抖動測量的示波器特性

定ding時shi精jing度du是shi單dan次ci定ding時shi測ce量liang最zui重zhong要yao的de技ji術shu要yao求qiu
，因yin為wei它ta決jue定ding著zhe測ce量liang值zhi有you多duo接jie近jin實shi際ji值zhi。它ta既ji考kao慮lv了le可ke重zhong複fu性xing，也ye考kao慮lv了le分fen辨bian率lv。定ding時shi精jing度du由you許xu多duo因yin素su決jue定ding，包bao括kuo采cai樣yang間jian隔ge
、時基準確度
、量化誤差、內插誤差
、放大器垂直噪聲和取樣時鍾抖動。其中任何一種因素都會造成定時誤差
，而所有因素共同作用構成增量時間精度(DTA)。高端示波器的DTA近似等於：
式中：A=輸入信號幅度(V)
trm=10~90%被測量的上升時間(s)
N=輸入參考噪聲(VRMS)
tj=中/短期孔徑不確定性(sRMS)
TBA=時基準確度(2ppm)
持續時間(duration)=增量時間測量值(sec)
所有這些都假設是采用高斯濾波器響應產生的邊沿波形。

特定儀器的特殊DTA信息可以通過查閱其手冊找到。通常情況下
，規範意味著對任何邊-邊的定時測量都可確定結果精度，對NIST是有保障並可追溯的。上麵的方程式中含有標度、信號幅度、輸入噪聲和其他影響因素。DTA這個話題太複雜

，無法在本文中進行全麵的解釋。不過
，如果試圖按飛秒級來檢定定時係統
，則應考慮DTA。

測量分辨率

測(ce)量(liang)分(fen)辨(bian)率(lv)定(ding)義(yi)了(le)可(ke)靠(kao)檢(jian)測(ce)測(ce)量(liang)變(bian)化(hua)的(de)能(neng)力(li)，不(bu)要(yao)把(ba)它(ta)和(he)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)
，甚(shen)至(zhi)是(shi)測(ce)量(liang)重(zhong)複(fu)性(xing)相(xiang)混(hun)淆(xiao)。在(zai)定(ding)時(shi)測(ce)量(liang)中(zhong)，分(fen)辨(bian)率(lv)是(shi)辨(bian)別(bie)信(xin)號(hao)定(ding)時(shi)中(zhong)細(xi)微(wei)變(bian)化(hua)的(de)能(neng)力(li)，而(er)不(bu)管(guan)變(bian)化(hua)是(shi)有(you)目(mu)的(de)的(de)，還(hai)是(shi)由(you)噪(zao)音(yin)引(yin)起(qi)的(de)。硬(ying)件(jian)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)位(wei)寬(kuan)度(du)

、shenzhijishuqidedianpinkuandengjibenyinsu，douhuixianzhidingshifenbianlv。mouxieyinxingdeyinsu
，ruzhixingsuanshupingjunyunsuanderuanjiandeng，yehuiduidingshifenbianlvgouchengxianzhi。

硬件定時器中，如像典型時間間隔分析器(TIA
、SIA)等
，其定時分辨率的硬件限製在數百飛秒。如果硬件計數器或等效電路的時鍾定在5GHz，那它就無法檢測到小於0.2ps的任何變化。這是器件的物理局限。

實時示波器的定時分辨率則受到采樣率
、內插精度和基於軟件的數學運算庫的限製。在使用50Gsps采樣率和SIN(X)/X內插時

，分辨率可能會達到幾十飛秒。因為在這種情況下分辨率是基於數學運算庫的，因此實際分辨率低於一飛秒(0.0001ps)。

分fen辨bian率lv體ti現xian著zhe測ce量liang定ding時shi中zhong極ji細xi微wei變bian化hua的de能neng力li，但dan這zhe可ke能neng並bing不bu一yi定ding反fan映ying真zhen實shi情qing況kuang。想xiang想xiang
，當dang測ce量liang變bian化hua小xiao於yu儀yi器qi內nei的de固gu有you噪zao聲sheng時shi
，會hui發fa生sheng什shen麼me情qing況kuang?yinci
，zaiceliangxiaofuzaoshenghuodoudongshi，bixukaolvshiboqixitongdedoudongbendizaosheng。zhishijiandandizhidaoxitongfenbianlv
，duilijiejingduhuoshiboqidezhengtinenglideshijijixianbingmeiyoushenmebangzhu。[page]

抖動本底噪聲(JNF)
　　
抖動本底噪聲(JNF)是抖動測量時儀器固有的噪聲。在示波器中JNF決定著可以檢測到的抖動底限。JNF附近的抖動幅度客觀上是無法觀察到的。驗證JNF的方法之一
，便是測量沒有噪聲的
、完(wan)美(mei)定(ding)好(hao)的(de)信(xin)號(hao)。盡(jin)管(guan)理(li)想(xiang)的(de)信(xin)號(hao)非(fei)常(chang)少(shao)見(jian)
，不(bu)過(guo)可(ke)用(yong)來(lai)表(biao)征(zheng)抖(dou)動(dong)本(ben)底(di)噪(zao)聲(sheng)的(de)適(shi)合(he)信(xin)號(hao)源(yuan)還(hai)是(shi)存(cun)在(zai)的(de)。對(dui)於(yu)這(zhe)種(zhong)測(ce)試(shi)，我(wo)們(men)推(tui)薦(jian)采(cai)用(yong)的(de)常(chang)用(yong)儀(yi)器(qi)為(wei)低(di)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)的(de)高(gao)精(jing)度(du)射(she)頻(pin)發(fa)生(sheng)器(qi)。還(hai)可(ke)采(cai)用(yong)反(fan)射(she)脈(mai)衝(chong)不(bu)變(bian)的(de)短(duan)接(jie)傳(chuan)輸(shu)線(xian)
，來(lai)測(ce)量(liang)反(fan)射(she)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)。

高端示波器的JNF方程式如下：

式中FSj=最大輸入範圍，所有這些都假設是采用高斯濾波器響應產生的邊沿波形。

TIE用於測量JNF，因為它包括信號中的任意相位誤差
，無論高頻、低頻、單事件或累積誤差。此外，采用實時儀器，TIE方法的基準可成為一個經過計算的理想時鍾。如圖4所示，采用DPO/DSA實時示波器時，振蕩器上的TIE極小，僅為328fsRMS。


圖4:實時示波器抖動本底噪聲的測量，TIE為328fsRMS。

影響JNF的另一因素，是抖動噪聲的頻帶將含在結果中。包括抖動在內的所有噪聲都有頻率分量，波長從幾千米到幾埃。當測量JNF時，還應考慮所涉及頻帶上的限製。通常來說，這些值表示最長記錄長度和最大取樣率上的JNF。

目前市麵上性能最好的一款FPGA是數據率為11.3Gbps的AlteraStratixIV。圖5所示的測試報告，根據高性能采樣示波器采集的數據生成，當Tj為22.18ps時Rj僅395fs。


圖5:AlteraStratixIVFPGA的抖動分析顯示圖(<400fsRj)