01

市場趨勢和測量需求趨勢

為了應對網(wǎng)絡、服務器和存儲速度和容量的快速提高的需求，促進了100GbE，400Gbp和1Tbps的通信系統(tǒng)的開發(fā)。而超過30Gbps的速率接口被這些系統(tǒng)所采用。

當處理高于30Gbps速率的信號時，相比傳統(tǒng)較低速信號具有更大的挑戰(zhàn)。本文描述了如何處理時鐘和數(shù)據(jù)信號的傳輸差異，進行高速信號的抖動容限測試，以及處理高速傳輸?shù)牟罘中盘枴?/p>

02

測試準備

準確的測量要求正確使用測量儀器。此外，也需要正確理解儀器的限制。超過這些限制的測量通常測量的是儀表自身的特性，而非待測件(DUT)的特性。例如，當使用采樣示波器進行波形測量時，如果波形內(nèi)包含由采樣示波器帶寬范圍外的頻率分量，那么輸入波形的真實特性不會被顯示，相反，顯示的是采樣示波器的特性。

對于抖動容限測試來說也是類似的，如果在測試中抖動超過了儀器中設置抖動容限，儀器的抖動容限而非DUT的抖動容限會被顯示在結果中。如果測試儀器內(nèi)部包含有D-flip-flop,FIFO,或者其他重定時電路或者類似時鐘恢復的PLL電路，此類電路會成為抖動容限測試的瓶頸。當進行抖動容限測試時，知道測量儀器的實際測試性能限制非常有必要。

即使在測量系統(tǒng)中的測量儀器有足夠的抖動容限，測試結果也許會比DUT實際特性更差，取決于實際設置。最近數(shù)據(jù)信號速率提升要求嚴格評估抖動的影響，以保護信號傳輸質(zhì)量。由于噪聲環(huán)境的不利影響(例如來自電源、熱量及PLL)，測試器件抖動的注入變得愈發(fā)復雜和快速，并且總抖動量呈現(xiàn)上升趨勢。在這些條件下，抖動容限測試必須考慮過去不會構成大問題的項目的影響，例如測試系統(tǒng)中時鐘和數(shù)據(jù)信號的路徑長度差異。

下一節(jié)介紹處理時鐘和數(shù)據(jù)路徑長度時的注意事項。

03

時鐘和數(shù)據(jù)路徑長度的差異

本節(jié)描述測量系統(tǒng)中時鐘和數(shù)據(jù)路徑長度，以脈沖碼型發(fā)生器(PPG)通過待測件和時鐘恢復單元(CRU)鏈接至誤碼檢測器(ED)為例。

圖 3.1:抖動容限測試系統(tǒng)

DUT的數(shù)據(jù)輸出鏈接至CRU。CRU將數(shù)據(jù)信號分為兩路：一路通過直接通過，未改變信號后進行輸出，另一路連接至時鐘恢復電路。CRU輸出數(shù)據(jù)信號，時鐘信號從數(shù)據(jù)信號中恢復。此處，比較了時鐘的定時和CRU的數(shù)據(jù)輸出。由于數(shù)據(jù)經(jīng)由CRU 被簡單分割，數(shù)據(jù)會通過一個更短的路徑。同時，時鐘信號基于數(shù)據(jù)信號恢復，時鐘恢復電路本身會有一些延時。因此，相較于數(shù)據(jù)信號，時鐘信號會有更長的路徑。

圖 3.2:CRUI/OTiming

圖3.2展示的并非突發(fā)數(shù)據(jù)輸入直到時鐘恢復的時間。而展示的是特定數(shù)據(jù)交叉點和相位對齊時鐘邊緣，其中Di是 CRU輸入數(shù)據(jù)， Do是CRU 輸出數(shù)據(jù)， Co是CRU恢復的時鐘輸出。

雖然使用實際CRU無法確定數(shù)據(jù)邊緣定時相位是否對齊，但如果相位對齊，邏輯上我們可以得出結論，即使在比較滿的比特率下，圖3.2中的Dt和Ct時間也不會改變。圖中Dt 是從數(shù)據(jù)輸入到CRU 至輸出的數(shù)據(jù)傳輸延遲，Ct是從數(shù)據(jù)輸入到CRU至恢復時鐘輸出的延遲。

雖然我們不能通過觀察單個比特率下的Co和Do波形，來確定Dt和Ct的邊傾角是否恒定，但是我們可以通過觀察多個比特率下的波形來識別Dt和Ct恒定的數(shù)據(jù)和時鐘邊緣。無論比特率如何，Dt和Ct之間的關系是恒定的，這種關系被稱為“絕對相位對齊”。

圖 3.3:CRUI/OTiming(低比特率)

在測試系統(tǒng)中，我們還必須知道在ED中時鐘和數(shù)據(jù)信號的路徑長度的差異。為了準確測量數(shù)據(jù)信號，儀器的設計必須使到第一個D-flip-flop是最短的。時鐘信號路徑往往比數(shù)據(jù)信號路徑更長，因為在ED端后部的電路生成分頻時鐘。如圖3.4所示，這導致Ct-dff時間比Dt-dff.更長。

圖 3.4:ED 中的路徑和時序

此外，如果具有D-flip-flop的單元，例如預加重單元，在測試系統(tǒng)的中間被連接，PPG和預加重間數(shù)據(jù)和時鐘信號路徑長度必須以相同方式確認。

圖3.5: PPG和預加重模塊間的連接和時序

例如，在預加重的情況下，PPG 輸出半速率時鐘至預加重單元，預加重單元加倍后變?yōu)槿贂r鐘。在這種情況下，PPG和預加重單元間由于使用倍頻半速率時鐘的電路延時，使得時鐘傳輸時延(C-emp)比數(shù)據(jù)傳輸時延更大(D-demp)。

在這些情況下，為了在這些設備間對齊時鐘和數(shù)據(jù)的相位，用于連接如CRU和ED、PPG和預加重單元的線纜長度，必須考慮到設備內(nèi)部信號路徑的差異以進行調(diào)整。由于CRU和ED之間的時鐘路徑由于(Ct–Dt)+(Ct-dff–Dt-dff)更長，因此數(shù)據(jù)線纜必須根據(jù)時延差來延長(圖.3.2和3.4)。相似的，PPG和預加重單元時鐘和數(shù)據(jù)可以通過延長數(shù)據(jù)路徑來對齊(圖.3.5)。

如果抖動影響比較小，在ED端時鐘和數(shù)據(jù)信號絕對對齊是沒有必要的。如果在ED中第一個D-flip-flop中時鐘和數(shù)據(jù)滿足保持時間和設置時間的條件，便可以進行有效測量。錯誤檢測器有自動搜索和其他特性以自動調(diào)整數(shù)據(jù)和時鐘關系，所以一般情況下，無需關注儀器內(nèi)部的數(shù)據(jù)和時鐘的關系。

相似的，如果抖動的影響比較小，用戶無需調(diào)整Anritsu 預加重單元的相位關系，因為其內(nèi)部會自動進行時鐘和數(shù)據(jù)相位的調(diào)整。

接下來，那抖動影響比較大的情況如何？如上述，我們無需考慮在抖動影響較小時的絕對相位，但是如果抖動影響比較大時，測量系統(tǒng)必須考慮絕對相位。

接下來的例子描述了抖動帶來的影響，具體通過比較將10-Hz，10 UI，正弦抖動注入于10-Gbps數(shù)據(jù)信后數(shù)據(jù)交叉點的變化來觀察。

在50-Ω 傳輸線纜上，電信號通常以4.75 ns/m 的速度傳輸。這一位這當使用示波器進行數(shù)據(jù)信號測量時，每改變線纜長度10cm時，波形位置會位移475 ps。

10-Gbps 數(shù)據(jù)信號的每個周期都是100-ps 長，所以注入10UI抖動會使交叉點在1000ps內(nèi)往返。在這種情況下，數(shù)據(jù)交叉點將移動等效于1000 ps x 2的距離，在使用上述4.75 ns/m 的電信號傳輸速度進行轉(zhuǎn)換，這個長度相當于約42 cm。

接下來，考慮抖動調(diào)制速率。10 Hz抖動調(diào)制率意味著以10 Hz速率移動42 cm (即 每100ms)。相似的，10Mhz 的抖動調(diào)制率意味著每100 ns移動42 cm距離。換言之，在相同抖動下，更快的抖動調(diào)制率會有更大的移動距離。

圖 3.6: 1UI 抖動下不同抖動調(diào)制率示例

現(xiàn)在，考慮時鐘和數(shù)據(jù)路徑不同的情況(即并相位并非完全對稱)。

例如，如果時鐘線纜是1 m，數(shù)據(jù)線纜為50 cm，會有50cm 的路徑差距。換言之，數(shù)據(jù)信號會在發(fā)送后的2.375 ns后被收到，時鐘信號會在發(fā)送后4.75 ns后被收到。通常情況下，接收機會考慮到此時鐘延遲來調(diào)整相位，以優(yōu)化時鐘和數(shù)據(jù)之間的關系。也就是說，相位的設置將使上升沿靠近兩個數(shù)據(jù)交叉點的中心以保證足夠的設置和保持時間。

現(xiàn)在，考慮當抖動注入于同步數(shù)據(jù)并且同時發(fā)送的時鐘信號時的變化，只關注由于抖動引起的時鐘上升沿和數(shù)據(jù)交叉點之間關系的變化。即使在存在抖動的情況下，在時鐘和數(shù)據(jù)同事改變的情況下，并且最佳相位關系得到保持，那么錯誤不會出現(xiàn)。然而，在數(shù)據(jù)或時鐘接收路徑包含限制抖動分量帶寬的PLL之類的電路，并且抖動調(diào)制頻率在電路帶寬之外，會在接收測產(chǎn)生錯誤。錯誤發(fā)生的原因是時鐘和數(shù)據(jù)中的抖動量不同，并且時鐘和數(shù)據(jù)之間的相位關系將超過接收電路的設置和保持時間限制。為了描述導致絕對相位誤差的機理，該解釋假定測量系統(tǒng)中沒有帶寬限制電路。

由抖動引起的時鐘和數(shù)據(jù)相位關系變化以電信號本身相同速度傳輸。因此，如果時鐘和數(shù)據(jù)邊緣同時開始移動，并且路徑長度差距達到50-cm，則數(shù)據(jù)的變化將在2.375ns內(nèi)到達接收機，而時鐘測的變化是4.75 ns。如果在這2.375 ns內(nèi)接收側(cè)的時鐘和數(shù)據(jù)相位差變得很大，以至于無法保證設置和保持時間，則信息無法正確傳輸，引起錯誤。

注入10-Hz、10UI、正弦抖動會引起時鐘和數(shù)據(jù)在1s 內(nèi)以100UI 往返移動。在2.375 ns間隔器件，對時鐘和數(shù)據(jù)相位關系的影響應該很小，因為移動僅為475nUI(10UI/10Hzx2(往返)x2.375ns)。同時，注入、10-MHz、10UI、正弦抖動會對時鐘和數(shù)據(jù)相位關系有很大的影響，因為通過相同的計算，移動為475mUI(10UI/10MHzx2(往返)x2.375ns)。

在較大抖動調(diào)制速率、抖動調(diào)制量以及時鐘和數(shù)據(jù)路徑長度的差異時，這種影響更大。這種影響會隨著比特率增加而增加，因為在高比特率下更難保證接收機相位裕度。近期在數(shù)據(jù)傳輸速度的提升導致了更為嚴格的抖動容限要求。因此，雖然在之前不考慮數(shù)據(jù)和時鐘的絕對相位，現(xiàn)在構建測量系統(tǒng)時必須納入考慮范圍。

儀器制造商可以指定其時鐘和數(shù)據(jù)相位之間的差異。

04

差分測量時的注意事項

差分高速信號正在變得普及。差分信號的有幾點優(yōu)勢。例如，Data和xData可以作為其他信號的閾值電壓，同時減少Data和xData共模噪聲的影響。此外，相較于單端設備，獲得了兩倍的電壓裕度。然而，速率超過20Gbps信號需要仔細處理，因為在某些條件下，電壓和相位裕度比使用單端設備時更差。

下面將講述如何處理28Gbps差分信號。這類信號正在積極發(fā)展中。

圖 4.1:差分測量系統(tǒng)

如上所示系統(tǒng)中，當PCB上的DUT通過線纜連接到ED時，從DUT上輸出的差分信號通過PCB和線纜并連接到ED。當處理差分信號時，DUT上所有差分路徑必須有相同長度。

雖然我們可以通過PCB上的路徑減少差分之間的誤差，但時使用PCB和測量線纜之間的電纜線路呢？這需要一個非常準確的相位匹配線纜。28-Gbps 信號周期大約為35.7ps。如前節(jié)所述，電信號處于50-Ω的傳輸線纜上傳輸速度為4.75ns/m，所以周期為35.7ps 的28-Gbps信號的電長度為7.5 mm。換言之，7.5 mm長度的線纜會有1-bit 的延時。當然，在默寫條件下，系統(tǒng)不能正確處理差分信號，因為如果線纜長度只有2到3 mm，則偏差約為40%。

圖 4.2:差分信號和時延

在圖 4.2 所示的恒定高電平和低電平信號下，存在相位裕度小于電壓裕度的風險。然而，由于傳輸線纜帶寬和其他因素的限制，實際信號會受到ISI的影響。因此，不能保證在高電平和低電平之間完全變化。

圖4.3: 受ISI 和延時影響的差分信號

圖4.3 展示了差分信號間存在延時下，盡管使用了差分信號，但單端設備的電壓裕度不會加倍。如果向信號中添加失真或者其他噪聲，則裕度會進一步降低，當他們作為差分信號處理時，結果會比使用單端設備更糟。

此外，當電纜彎曲或者拉伸時，幾乎所有電纜長度都會改變約2到3ps。盡管不怎么需要去擔憂這點，但是使用單端設備或低比特率時彎曲電纜會改變使用快速信號(如28Gbps)時的電氣長度周期的10%。

圖4.4:電纜彎曲引起的電氣長度變化

如何在這種情況下使用差分信號？一種解決方案時在相位匹配的線纜的每一端增加一個范圍約為50至100 ps的小延遲裝置，并將電氣長度調(diào)整為相等。設備之間的電纜彎曲也必須最小化。

即便如此，完全消除由于電纜彎曲而產(chǎn)生的微小誤差仍然是不可能的。在這種情況下，另一種解決方式是使用單端設備進行測量，而不是使用差分信號。

下節(jié)介紹如何測量電纜長度。

05

如何測量電纜長度差異

本節(jié)介紹兩種確定電纜長度是否不同的方法。第一種是使用采樣示波器檢查脈沖信號波形；第二種是使用TDR。

5.1 使用脈沖波形檢查

即使使用兩條相位匹配的線纜和具有多個輸入的采樣示波器，我們?nèi)耘f不能通過同時連接兩條電纜和測試兩個輸入來測量電纜長度是否相同，因為示波器輸入之間存在內(nèi)部偏差。盡管幾乎所有示波器都有內(nèi)部調(diào)整時延的功能，但是我們只描述一種一次只測量一個輸入的方法。

圖5.1: PPG和采樣示波器組成的測試系統(tǒng)

設置在信號源(如PPG)處測量的比特率設置為1/10或者更低，模式長度設置為1024位，16位為1，所有其他位為0。將要測量的第一根線纜(A) 連接到PPG輸出和示波器輸入。

圖 5.2:圖案參數(shù)

觀察示波器上PPG的輸出，以查看0到1之間的一個交叉點，并將此波形保存在示波器上。接下來，斷開電纜A并將第二根電纜(B)連接到同一范圍輸入。如果電纜長度非常相似，則可以看到存儲的第一電纜A波形和當前顯示的第二根電纜B之間的差異。

圖 5.3:存儲波形和顯示波形之間的差異

盡管可以通過在時間方向上增加分辨率來進行更精確的測量，但是如果電纜之間存在較大的長度差，則在改變電纜后可能不會顯示用于比較的邊緣。在這種情況下，通過在時間方向上設置一個粗略的分辨率，并在觀察兩個電纜波形的邊緣位置的同時逐漸增加分辨率來過的精確的測量。

5.2 使用TDR檢查

這種方法使用TDR測量電纜長度，而不是使用PPG和示波器檢查脈沖波形。

將電纜的一端連接到TDR電纜端，并使電纜的另一端保持未連接狀態(tài)。測量開始時的波形如下圖所示。

圖 5.4:TDR線纜測試顯示

對于未終結50-Ω線纜，顯示器上的垂直部分時阻抗變?yōu)闊o窮大的地方。增加時間方向的分辨率，放大出現(xiàn)無限阻抗的點并保存測量結果。連接第二根線纜并進行相同測量。此處請注意，不是直接指示電纜長度的差異，是中間軸上的差異時電纜長度差異的兩倍，因為TDR從作用于發(fā)送脈沖并測量直到反射返回的時間，這意味著它顯示脈沖往返。

06

總結

使用高速信號正變得司空見慣。本文從測量抖動容限和測量差分信號兩方面介紹了如何處理傳輸線長度以精確測量這些信號。這種討論是一般性；更快比特率的情況仍有待解決。