以频域时钟抖动分析加快设计验证流程

    由于数据率的提升，对时钟抖动分析的需求也随之水涨船高。在高速串行数据链接中，时钟抖动会影响发射器、传输线路、及接收器中的数据抖动。时钟质量保证的测量也在发展。其强调的是，就位错误率而言，建立时钟效能与系统效能的直接关联性。我们将回顾参考时钟的作用及时钟抖动对数据抖动的影响，并讨论运行在E5052B 信号源分析仪（SSA） 上的Agilent E5001A 精确时钟抖动分析应用所采用之新测量技术，该技术具有出色的功能、可测量超低的随机抖动（random jitter ，RJ）及对RJ 与周期抖动（periodic jitter ，PJ）成分的实时抖动频谱分析，从而提高设计质量。我们还将讨论这种可加快设计验证流程的新技术的实时测量能力。

参考时钟在高速串行应用中的作用

        图1 显示了参考时钟的主要组成部分。发射器通常将一组低速率的并行信号连续串行（serialize）成一串行数据串流。信号传播的传输信道包括背板和缆线。接收器会对进入的串行数据进行解释、重建其时钟信号，而且通常要将其解串行（de-serialize）成为并行数据串流。在许多像这一类的描述中，多把参考时钟当作是一种组成要素，而不是关键的参与者（player）。但在高速率串行数据系统中，参考时钟则会被当作关键组件来使用。通常参考时钟是以远低于数据率的频率来进行振荡，然后在发射器中进行倍频。发射器使用参考时钟来定义在串行数据串流中逻辑转换的时序。发射数据中含有参考时钟的特征。在接收器端，会出现两种不同的情况。如果参考时钟还未分配，接收器从数据串流中恢复一个时钟，例如，使用锁相环（PLL），并使用该时钟来及时地定位出采样点。如果参考时钟已经分配，则接收器采用数据信号和参考时钟来对采样点定位。

时钟抖动对发射器数据抖动的影响

    参考时钟为系统时序的根本来源。它提供了发射器的时基（time-base）。在分布式及非分布式时钟系统中，参考时钟的特征在接收器时钟恢复电路中重现。现在，我们要了解一下时钟抖动是如何在系统的发射器中传播的。

    要定义逻辑转换的时序，发射器必须用一个适当的因素对参考时钟进行倍频，以得到数据率。例如，对于100 MHz 参考时钟和一个5 Gb/s 的输出信号，发射器会用PLL 会参考时钟增加50倍。PLL 乘法器（multiplier）既放大了时钟抖动，也引入其自身的抖动，主要是来自PLL 压控振荡器 （Voltage Controlled Oscillator，VCO）的RJ 抖动。频率增加n倍的效果是，是把相位噪声功率对载子比（phase noise power to carrier ratio）放大n2倍，所以抖动就会迅速地提高。 

    发射器中的PLL 乘法器有一定的频率响应，通常为秒级的响应，如图3所示。非均匀的频率响应带来了一个有趣的问题：时钟抖动究竟有什么影响？如果PLL 性能良好且有零频宽，就可以过滤掉所有的时钟抖动，从而为发射器提供无抖动的时基。当然，零频宽意味着无限长的锁定时间，所以要有所妥协。但PLL 频宽越窄，从参考时钟进入数据的抖动就越少。要想确定时钟是否是以所要的BER 在系统中运行，就要仔细地测试抖动频谱。

现实世界中的抖动源

    现实世界中的高速数据电路中有许多抖动源，如图4所示。如前面所述，时钟信号通常分布到多个IC中，时钟频率可倍频（multiplied）与/或分频（divided）。假定来自晶体振荡器的参考时钟有更低的抖动，倍频或分频的输出时钟会由于IC的附加噪声（additive noise）或来自其它设备的干扰而变得不干净。 

    一个主要的污染源是典型开关频率为100 kHz到1 MHz的开关电源噪声。这种开关电源噪声可以进入到时钟信号线路中，在图中左下方为PJ抖动。 

    其它周期抖动成份源可以是数据或时钟线路的干扰，而且相互间调变的（inter-modulation）产物会进入时钟线路，它也被视为PJ 抖动的成份。只要PJ 成份远离时钟频率，就可以插入一个带通常滤波器（或低通滤波器）来抑制这些抖动。问题是当周期抖动接近到时钟频率时，高Q的（high-Q）滤波器在高频的情况下很难实现。对于参考时钟的RJ抖动，一个时钟分频电路会加进宽带噪声，造成输出时钟信号的RJ抖动增加。 

    为了诊断问题，必须在电路实际位置上及/或在运行条件下，分析时钟抖动的特点。

透过相位噪声测量技术分析时钟抖动的特点

    要全面分析时钟信号需要飞秒级（femto )[fai](f [fai] second）的精度，这只能以相位噪声测量技术来实现。相位噪声分析提供了两个关键测量：S (t)，两者中含从时钟相位信息到相位噪声测量频宽限制的所有内容。[fai]与利用相位噪声分析仪分析RJ 抖动可实现两个重要目标。第一是整合RJ )幂级数（power- series）的特点可以找到RJ[fai] (f[fai]抖动频谱，即从所需频宽中抽取相对应RJ 高斯分布的宽度。其次是，分析S 抖动的主要原因。（图5） PJ 成份在相位噪声频谱中会被看成是杂散信号（spur）。PJ 频率的知识有助于诊断故障。了解每个PJ 频率的PJ rms 也有助于理解各PJ 成份对整体时钟抖动的作用，以检查如果移除了主要的PJ 成份，会对总抖动有多大的影响。（图6）

以先进架构进行实时的抖动测量

    不像传统抖动测量的范例一样，配有E5001A 软件的E5052B SSA 提供了对相位噪声测量的实时抖动分析。该仪器采用有参考源的PLL 方式。它可自动检测时钟频率，而内建的参考源会自动地在几毫秒内调节到时钟频率，并测量来自维持PLL的相位检测器之噪声信号。以250 MSa/sADC 撷取的噪声信号可支持100 MHz的抖动频宽测量，覆盖了OC-192抖动的分析范围。实时FFT 可动态地取得频域数据，提高了测量的速度。例如，它每次只需0.3 秒来测量1 kHz 到100 MHz的频宽。

采用交叉相关技术的抖动噪声基准

    E5052B抖动测量的分辨率和噪声基准（noise floor）非常低，通常为10Gbps 速率的飞秒级RJ 抖动噪声基准。由于有限的动态范围ADC、和内部干扰时基相对较大的残存抖动，典型的高性能（实时或采样）示波器具有超过上百飞秒的抖动噪声基准。E5052B 透过检测消除了较大载波信号的基频的相位噪声，维持较宽的动态范围。即使在低于其内部时基的残存抖动时，E5052B也可使用独特的交叉相关技术在两个独立的内部测量通道间扩充抖动测量极限（图7）。使用这种交叉相关（cross-correlation）技术，E5052B 可实现比当今高性能示波器低100 到1,000 倍的抖动噪声基准 （图8）。

实时地模拟PLL 回应

    图9 为PLL 响应功能直接用于时钟相位噪声信号效果的一个例子。从其中可以看出频谱中的不同部分是如何被抑制的，从而可分析与应用相关的抖动。E5052B对相位噪声测量的实时抖动分析加快了设计流程。任何PLL 响应功能都可移植到E5052B SSA 中，使用者就可以轻松而迅速地从设备到设备模拟PLL 的响应了。

结论

    对于高速串行数据应用，时钟抖动分析的主要目标是要确定参考时钟抖动对系统位错误率的影响。最准确的方法是将该应用最差的发射器（及接收器）的传输功能用于应用中，以及测量时钟 RJ 抖动与PJ抖动的结果。运行在E5052B上的E5001A 精密时钟抖动分析软件改变了传统抖动测量产品的特点，不只提供了飞秒级精度的全面分析时钟抖动，还提供了轻松使用及实时的抖动分析能力，这将有助于加快设计验证的流程。

(本文作者：Akihiko Oginuma, Senior Product Manager, Component Test Division Kobe, Electronic Measurements Group, Agilent Technologies)