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高速互連鏈路中參考時脈的抖動分析與測量

上網時間: 2010年04月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:高速互連  參考時脈  抖動 

任何一個通訊鏈路都包含三個部份:發送器(TX)、媒質(訊息通道)、接收器(RX)。高速串列互連鏈路亦是如此,圖1所示為一個典型的高速互連鏈路結構圖,其中發送器包括了:平行轉換、串列編碼(如8b10b編碼)、發送訊號最佳化(如預加重)、發送驅動等功能。接收器包括了:時脈恢復、數據恢復、接收訊號最佳化(如均衡)、串列轉化平行、解碼等功能。傳輸通道則由印刷電路板的走線、過孔、連接器、附加卡的金手指、電纜、光纖等組成。


圖1

從整個鏈路的組成來看,發送器參考時脈抖動在串並轉換時就被導入到整個鏈路中,影響著TX端發送出的數據抖動,而接收器要從這些數據中進行時脈恢復來進行後續處理。可以看出,發送器參考時脈的性能對整個鏈路的性能發揮著關鍵作用。本文將從時脈抖動的相關概念、測試實例、測試注意事項、測試難點幾方面,對時脈抖動測試進行分析和探討。

三種時脈抖動

時脈抖動通常分為時間間隔誤差(Time Interval Error,簡稱TIE)、週期抖動(Period Jitter)和相鄰週期抖動(cycle to cycle jitter)三種。


圖2

TIE又稱為phase jitter,是訊號在電平轉換時,其邊沿與理想時間位置的偏移量。理想時間位置可以從待測試時脈中恢復,或來自於其他參考時脈。如圖2所示TIE抖動的示意圖,I1、I2、I3、In-1、In是時脈第一個到第n個上升沿與理想時間位置的偏差,將I1、I2到In進行數理統計,在所有樣本中找出最大值和最小值,兩者相減可以得到TIE抖動的峰峰值,即:

假設N為測量樣本總數,則抖動的平均值可表示為:

抖動的有效值(即RMS值)為所有樣本的1個Sigma值,即:

週期抖動是多個週期內對時脈週期的變化進行統計與測量的結果。如圖3所示的P1、P2、Pn-1、Pn為多個週期內時脈的週期數值,對這些數值進行數理統計。同理,與TIE抖動的峰峰值和有效值運算方法相同,把P1到Pn中的最大值減去最小值,得到週期抖動的峰峰值;把P1到Pn進行1個Sigma運算,得到週期抖動的RMS值。


圖3


圖4

相鄰週期抖動是時脈相鄰週期的週期差值進行統計與測量的結果。如圖4所示,後一時脈週期減去前一時脈後作為統計的樣本,C1=P2-P1;C2=P3-P2;Cn-1=Pn-Pn-1,把C1到Cn-1進行數理統計,同理,可以運算出相鄰週期抖動的峰峰值和RMS值。

在上述三種常見時脈抖動中,對於串列匯流排,通常是測量TIE抖動,比如高速收發器TX端的參考時脈。對於平行電路,通常是測量其時脈的週期抖動和相鄰週期抖動,如DDR SDRAM、PC主板上的FSB等。

在圖2、圖3、圖4中的紅色曲線橫軸是時間,縱軸是對應週期的抖動數值,該曲線反映了抖動隨時間變化的趨勢,稱為抖動追蹤;將每個週期的抖動值(如TIE抖動的I1、I2…In)作統計直方圖,可以得到抖動直方圖;將抖動追蹤做快速傅立葉變換(FFT)運算可以得到抖動頻譜。

抖動追蹤、抖動頻譜和抖動直方圖,分別是抖動在時域、頻域和的統計域的表現形式。各種測試儀器和分析軟體對於抖動的測量和分析都是在這三個域中實現的。


圖5

圖5為某100MHz時脈在時域、頻域、統計域分析其TIE抖動的示意圖。左上角的F2為某100MHz時脈,P1是時脈的TIE參數測量;右上角的F3是TIE抖動的直方圖,直方圖不是高斯分佈,可見時脈存在固有抖動。


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