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是德科技 抖动分析 In?niiVision

6000 X 系列 与In?niium 系列示波器 应用指南 随着数据速率的不断提高,今天的高速数字电路设计的时序冗余度越来越小.

要确 保接收端采集到的串行数据信号有效和稳定,工程师要熟知各种抖动分量,尤其是 他们对数据有效时间窗口的影响.硬件设计工程师目前主要使用示波器捕获和查看 波形的抖动.高性能示波器也大都提供抖动分析测量选件,以各种方式显示抖动, 甚至能够将各种抖动分量分离出来. 本文开篇以讨论抖动的各种显示方式入手,包括波形水平方向直方图、时间间隔误 差(TIE) 直方图、TIE 趋势图和抖动频谱图;

接着讨论各种时钟恢复算法、实时眼 图、抖动分离和总体抖动的推演方法;

结尾处,我们会比较 Keysight

6000 X 系列 和In?niium 系列示波器如何应对这些挑战. 序言

3 抖动和时钟恢复的各种显示方法 我们首先来看抖动的定义是什么.抖动是指随时间变化的信号对其当时理想位置的 偏离,往往又被称作时间间隔误差(TIE).工程师常常把抖动看成是信号边沿相对 于参考边沿 ( 触发点 ) 的 跳动 ( 见图 1).在此例中,示波器触发在时钟的某个边 沿上,我们观察该边沿后面的边沿,多次采集得到其抖动分布.这时体现示波器捕 获和显示信号动能力的,有一个关键指标,就是波形捕获率,好的示波器可快速积 累足够的波形得出抖动的极端情况. 图1分析的是 50% 幅度附近很窄的区域内的波形,以直方图形式给出其抖动分布. 该水平直方图显示的是抖动的概率分布 (PDF),它和波形是时间相关的.在本例中, 我们可以看到抖动呈双峰分布.波形直方图测量是最简单的抖动测量方法,也是当 前大部分高性能示波器(包括 Keysight In?niiVision

6000 X 系列和 In?niium 系列示 波器)都提供的关键测量功能. 捕获和查看重复时钟信号的抖动较为直接,串行数据信号的抖动观察则略显复杂, 特别是在没有时钟信号可用作触发的情况下.目前大部分高速串行总线都采用嵌入 式时钟,嵌入式时钟必须由接收端进行时钟恢复之后才能查看.对含有嵌入式时钟 的串行总线数据信号执行抖动分析,要求示波器必须能够从数据信号中恢复时钟. 抖动分析选件中的软件算法可以完成这一任务.其方法是创建一个虚拟时钟,以仿 真串行数据总线接收端的时钟恢复.工程师以此恢复时钟为参考,对采集到示波器 存储器中的串行数据进行逐个边沿对齐,完成 TIE 测量. 图1:基本抖动分析;

通过波形直方图查看重复时钟抖动.直方图(蓝色)显示时钟抖动(黄色)呈 双峰分布.

4 图2:在数据信号上触发时,重复捕获连续的串行总线数据信号. 图2是重复采集连续串行数据信号的示例.由于除了被测信号本身,我们没有其它 时钟源可以用作触发源,所以无法直接观察每个边沿的抖动.对这种应用,我们需 要使用具有时钟恢复功能的示波器抖动分析选件. 使用示波器抖动分析选件,我们首先用示波器捕获多个周期的数据信号.串行数据 信号的一个比特周期通常称为单位间隔(UI).接下来,我们根据恒定速度时钟恢 复算法对数据执行 TIE 抖动分析. 图3中的直方图显示了抖动测量结果.不过,用于生成此直方图的机理与图

1 中所 用的方法截然不同.该图使用的是每个数据边沿(上升沿和下降沿)相对于其恢复 时钟(未显示)的TIE 测量数据,而不是 相对于触发点所捕获的波形数据.目前的 高性能示波器除了显示直方图之外,还能 够显示直方图对应的全部统计结果(参见 图3中显示屏最右侧). 从此直方图中我们可以看到,串行数据信 号中的抖动包含非常大的高斯 (随机抖动) 分量,以及确定性抖动分量(双峰).还 要注意的是,示波器波形显示区域右下角 附近的大量的 离群点 .现在我们通过 另一种显示 / 图形方式来查看这个水平时 间误差,您可能会发现关于这个抖动的更 多信息. 图3:使用 TIE 直方图进行的抖动分析. 离群点

5 图5:使用抖动频谱视图显示和测量抖动调制频率,该信号的频率为

20 kHz,非常有助于分析查找抖 动源. 图4:TIE 抖动趋势波形显示正弦调制和相关极端时间误差. 数据 TIE 频谱 离群点 图4显示的是在图

3 的抖动分析结果 上增加了 TIE 抖动趋势波形显示 ( 紫 色迹线 ).TIE 抖动趋势波形图显示的 是数据的每个边沿相对于恢复时钟的 水平偏差,纵轴代表偏差值,横轴代 表时间.该波形与捕获的串行数据信 号(黄色迹线 ) 有时间对应关系.从该 TIE 抖动趋势图中,我们可以看到数据 信号是正弦调制,与抖动直方图的双 峰分布相对应.除了正弦调制之外, 我们的数据信号还偶然出现了极端正 值时间偏差,即TIE 抖动趋势波形中的 尖峰.这些尖峰对应直方图中的 离 群点 . 我们可以通过确定调制频率,得到线 索找出抖动源.某些高性能示波器, 比如 Keysight In?niium 系列可以帮助 您直接测定它们(趋势波形测量结果) 的频率.如果您使用的示波器未提供 这种功能,那么可以换用一种简单的 方法来测量―― 使用示波器的水平光 标来手动测量正弦调制周期.另一种 选择是启动图

5 所示的抖动频谱显示 ( 下方的紫色迹线 ),它其实是 TIE 趋 势波形 ( 上方的紫色迹线 ) 的FFT 频 谱波形.所有这三种方法都可以确定 调制频率,该频率在本例中正好是

20 kHz. 在上面的抖动测量示例中,时钟恢复算法自动根据恒定速率时钟确定串行总线信号 的标称比特率.您也可选择使用一阶或二阶锁相环(PLL)时钟恢复算法.目前许多 高速数字系统实际上会有意对发送的数据加以调制,即扩频时钟(SSC)技术,主 要用途是减少电磁干扰(EMI).如果遇到这种情况,应该选择使用 PLL 类型时钟 恢复算法,以仿真 SSC 系统接收机的 PLL 时钟恢复.

6 图6显示了相同串行总线数据的抖动测量结果, 但此次使用一阶 PLL 时钟恢复算法, 指定环路带宽为

200 kHz.对比图

4 和图 6.请注意,20 kHz 正弦调制在图

6 的TIE 趋势波形中消失了,抖动直方图的双峰分布特征不明显了,而高斯分布特征增强了. 图4:TIE 抖动趋势波形显示正弦调制和相关极 端时间误差. 图3:使用 TIE 直方图进行的抖动分析. 孤立点 图7:该眼图给出了边沿抖动和噪声的峰峰值信息,图中黑色迹线表明波形边沿抖动的极端情况,对 应直方图显示的'

离群现象'

,在眼图上则表现为最差情况下的眼开. 图6:与图

4 相比,使用一阶 PLL 时钟恢复算法进行的抖动测量使抖动直方图的双峰分布特征减弱, 高斯分布特征增强. 离群点 另一个有助于分析串行数据信号抖动的 视图是将捕获的波形数据显示为实时眼 图(RTE),见图 7.实时眼图由所有 捕获到的 UI 叠加而成.基于时钟恢复, 示波器将捕获到的波形分成片段并归入 单个比特周期(UI),然后将所有片段 重叠到一个颜色分级的显示窗口中.通 过这个显示窗口,我们可以看到峰峰值 边沿抖动和噪声的复合视图.我们还可 以查看数据边沿极端正值位移(深蓝色 迹线).它是造成直方图 离群点 (图3)和TIE 趋势波形尖峰(图4)的原因. 示波器还能够自动测量眼图高度和眼图 宽度,从而确定数据有效窗口.

7 以上所有抖动和实时眼图测量都是使用 Keysight

6000 X 系列

6 GHz 带宽示波器及 DSOX6JITTER 选件完成的.使用 Keysight In?niium 系列示波器的 EZJIT 抖动分析基 础版选件也可执行相同的抖动测量,见图 8.请注意,该示波器会在独立的分格窗 中分别显示波形、测量结果直方图、测量结果趋势图及抖动频谱.您可以利用每个 独立分格窗口中的测量结果深入分析抖动来源. EZJIT 选件提供易于使用的向导程序, 可引导您完成所有抖动测量设置. 抖动分量和抖动分离 正如我们在这些测量示例中所见, 总体抖动 (TJ) 通常由随机抖动和确定性抖动构成. 从理论上讲,随机抖动(RJ)是无界的,通常以 RMS 有效值来衡量. 无界 是指 如果您等待足够长的时间,并持续收集 TIE 测量数据,那么理论上峰峰值抖动将无 限增长.但是随机抖动的 RMS 有效值最终将变为一个稳定值.另外,随机抖动的分 布是很容易预测的.概率分布函数(PDF)始终为高斯分布(钟形曲线).当前许 多高速总线和接口标准都要求除了测量总体抖动之外,还要测量随机抖动和确定性 抖动,以验证您的设备或器件符合这些标准. 另一方面,确定性抖动(DJ)是有界的,始终可以用峰峰值测量.虽然确定性抖动 的分布很难预测,但其各个分量的来源和特征很容易预测.如图

9 所示,确定性抖 动可分为周期抖动(PJ)和数据相关抖动(DDJ),数据相关抖动可进一步分为占 空比失真(DCD)和符码间干扰(ISI).请注意,前面测量中所示的

20 kHz 正弦调 制就是周期抖动.如欲进一步了解抖动的各个分量,请参见本文末尾列出的应用指 南《通过实时抖动分析查找抖动源》. 图8:使用运行 EZJIT 选件的 Keysight In?niium 系列示波器执行抖动分析. 图9:抖动分量 TJ Bounded (p-p) Unbounded (RMS) DJ RJ PJ DDJ DCD ISI 有界(峰峰值) 无界(RMS 有效值)

8 在前面的测量示例中,虽然我们能够确定测得的抖动包含多种抖动分量(随机抖动 和确定性抖动),但使用 Keysight In?niiVision

6000 X 系列示波器无法分离各种抖 动分量.要想分离,并根据设定的误码率推衍总体抖动,需要配备了 EZJIT+ 件的 Keysight In?niium 系列示波器,他们支持更高级的抖动分析功能. 图10 为Keysight In?niium 示波器进行抖动分离的例子. 使用尾部拟合 (Tail Fit) 算法, 配备 EZJIT+ 选件的 In?niium 示波器能够首先把确定性抖动从随机抖动、周期抖动中 分离开来,然后再基于包含随机抖动和周期抖动的直方图 , 从其尾部将随机抖动分 离出来.接着,它可以根据设定的误码率,由浴盆曲线推断出总体抖动.如欲详细 了解抖动分离技术,请参见本文末尾列出的应用指南《使用 Keysight EZJIT Plus 软 件分析抖动》. 图10:使用配备 EZJIT+ 选件的 In?niium 系列示波器执行抖动分离和推算总体抖动. 由于总体抖动中包括理论上无界的随机抖动分量,所以它也是无界的.直接测量总 体抖动要求您必须无限期地收集数据.因此,总体抖动始终取决于用户定义的比特 误码率 (BER),该误码率通常非常小,例如为

10 -12 .总体抖动通常以峰峰值来表示. 但是即便误码率设置很大,也是无法用示波器直接测量总体抖动的,必须根据收集 到的部分数据进行推衍.

9 Keysight In?niiVision

6000 X 系列示波器. Keysight In?niium S 系列示波器. 选择适合的示波器平台执行抖动测量 哪一款是德科技示波器平台最适合您的抖动测量,In?niiVision

6000 X 系列还是 In?niium 系列?这取决于您对示波器的性能要求(带宽、采样率和存储器深度)、 抖动测量要求 (基础或高级抖动分析与分离) 、 使用模式 (调试或分析) 和预算情况. Keysight In?niiVision

6000 X 系列示波器提供高达

6 GHz 带宽、20 GSa/s 采样率和

4 M 点标配存储器深度.该平台是为以调试电路为主要工作的工程师优化的,它采 用实时操作系统,核心技术为是德科技第四代 MegaZoom 芯片.凭借同类示波器 中最快的波形捕获率 ( 高达

45 万个波形 / 秒),Keysight In?niiVision

6000 X 系列 示波器能够捕获其它示波器可能遗漏的偶发事件. 它的价格在具有抖动分析功能(选件DSOX6JITTER) 的同等示波器中是最低的.对于关注成本,需要的性能够用即可, 6000X 不失为一个很好的选择. S 系列示波器是 Keysight In?niium 系列示波器家族中的一员,该家族支持高达

63 GHz 的带宽和最高

160 GSa/s 的采样率,以及业内最深的存储器,深度高达每通 道2G 点(比6000X 系列高

500 甚至

2000 倍).该平台是为以高速信号波形分析 为主要工作的工程师优化的,它采用 Windows 操作系统.如前所述,In?niium 示 波器支持抖动分析及本版 EZJIT 和高级版 EZJIT+ 选件.虽然基本版 EZJIT 选件的 部分抖动测量与配备 DSOX6JITTER 选件的 In?niiVision

6000 X 系列类似,但EZJIT 更加灵活,支持同时查看多达

17 种测量结果趋势图和直方图. 您还可以同时分析多个波形上的抖动.抖动分析高级版 EZJIT+ 选件能够将抖动分 解为各种分量, 并根据 BER 系数的设定推衍总体抖动. EZJIT+ 提供众多

图表和工具, 使您能够真正调试和分析系统中的任何抖动.

10 下表汇总了适用于是德科技 In?niiVision

6000 X 系列和 In?niium 系列示波器的各种抖动分析选件的功能特点: 配有 DSOX6JITTER 选件的 In?niiVision 6000X 系列 配有 EZJIT 软件的 In?niium 系列 配有 EZJIT+ 软件的 In?niium 系列 抖动的图形显示形式 抖动趋势图 √ √ √ 抖动直方图 √ √ √ 抖动频谱 √ √ √ 实时眼图 √ 使用 SDA 选件1 使用 SDA 选件1 时钟恢复 恒定速率时钟 √ √ √

1 阶PLL 时钟 √ √ √

2 阶PLL 时钟 √ √ √ 分离显式外时钟 √ √ √ 时钟抖动测量 时钟 TIE √ √ √ N 个周期 √ √ √ 周期至周期 √ √ √ + 宽度至 + 宽度 √ √ √ - 宽度至 - 宽度 √ √ √ + 占空比 √ √ √ - 占空比 √ √ 周期 √ √ 频率 √ √ 脉宽 (+、 C、 两者) √ √ 数据抖动测量 数据 TIE √ √ √ 数据速率 √ √ 单位间隔 √ √ 数据/边沿测量 建立/保持 √ √ 相位 √ √ 上升/下降时间 √ √

11 配有 DSOX6JITTER 选件的 In?niiVision 6000X 系列 配有 EZJIT 软件的 In?niium 系列 配有 EZJIT+ 软件的 In?niium 系列 抖动分离 随机抖动 (RJ) √ 确定性抖动 (DJ) √ 数据相关抖动 (DDJ) √ 符码间干扰 (ISI) √ 占空比失真 (DCD) √ 有界不相关抖动 (BUJ) √ 周期抖动 (PJ) √ 非周期有界不相关抖动 (ABUJ) √ 总体抖动 (TJ) 估计 √ 误码率 (BER) 范围 √ 周期模式最大码型长度 √ 任意模式最大码型长度 √ 高级抖动的图形显示形式 误码率浴盆曲线 √ DDJ 与比特位 √ 复合直方图 √ 总体抖动直方图 √ 数据相关抖动直方图 √ 随机抖动/PG 直方图 √ 随机抖动/PG 频谱 √ 注1:当In?niium 示波器使用串行数据分析 (SDA) 选件时,不仅能够分析实时眼图,还能根据各种行业标准使用预定义模板和时钟恢复算法执行波形模板 测试.In?niiVision

6000 X 系列示波器的选件支持基于分离的显式外时钟触发进行眼图模板测试,但该选件目前不支持实时眼图模板测试.

12 相关文献 出版物标题 出版物类型 出版物编号 Keysight In?niiVision

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