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時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲分析測(cè)試
閱讀：269 發(fā)布時(shí)間：2024-8-10一、引言
隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提升，時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)分析變得越來(lái)越重要。在Gb/s范圍，任何一個(gè)小的抖動(dòng)都會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成顯著影響。比如：高速串行鏈路參考時(shí)鐘的穩(wěn)定度會(huì)對(duì)誤碼率有明顯影響。了解參考時(shí)鐘抖動(dòng)詳細(xì)特性有助于在提供高數(shù)據(jù)速率的同時(shí)保證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。此外，對(duì)于高速串行數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確測(cè)量以及區(qū)分由器件噪聲產(chǎn)生的隨機(jī)抖動(dòng)，以及由非期望干擾產(chǎn)生的周期抖動(dòng)，非常有助于定位抖動(dòng)問(wèn)題來(lái)源，提高系統(tǒng)性能。時(shí)鐘時(shí)序抖動(dòng)可以在時(shí)域以及頻域進(jìn)行測(cè)量。相鄰周期抖動(dòng)（Cycle to Cycle jitter），周期抖動(dòng)（Period jitter），時(shí)間間隔誤差（TIE），相位噪聲（phase noise）和相位抖動(dòng)（Phase jitter）等指標(biāo)都可以用來(lái)衡量時(shí)鐘性能，而在不同的應(yīng)用背景下需要關(guān)注不同的指標(biāo)。在數(shù)字系統(tǒng)中，邏輯電平的切換通常伴隨上升/下降沿的出現(xiàn)，而電平邊沿的時(shí)序上的不穩(wěn)定，稱之為相位抖動(dòng)，也叫做累積抖動(dòng)（accumulated jitter），指實(shí)際的邊沿與理想邊沿位置的偏差。時(shí)鐘抖動(dòng)是相位噪聲在時(shí)域的等效體現(xiàn)。
圖1 典型發(fā)射機(jī)模塊框圖
二、時(shí)域抖動(dòng)測(cè)量
測(cè)量抖動(dòng)非常常用的儀表是數(shù)字示波器，測(cè)試工程師設(shè)置以時(shí)鐘信號(hào)的上升或下降邊沿作為觸發(fā)源，而在顯示屏上顯示時(shí)鐘的下一個(gè)上升或下降沿軌跡，打開示波器的駐留模式，可以在屏幕上觀察到峰峰抖動(dòng)值（Peak-Peak Jitter）。使用示波器提供的直方圖功能可以觀察隨機(jī)抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性。一般情況下，隨機(jī)抖動(dòng)直方圖表現(xiàn)為高斯分布，而其它形式的直方圖分布則有可能由確定性抖動(dòng)引起?，F(xiàn)代高速傳輸直接從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘以減小抖動(dòng)引入的影響。需要關(guān)注時(shí)域的分析結(jié)果，通過(guò)數(shù)字示波器的測(cè)量，獲得恢復(fù)時(shí)鐘，數(shù)據(jù)流或者與數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)的詳細(xì)特性。但示波器自身時(shí)鐘的固有抖動(dòng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪比性能限制，使得其抖動(dòng)測(cè)量的Mini分辨率通常在幾個(gè)皮秒范圍，此測(cè)量精準(zhǔn)度越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)的時(shí)鐘測(cè)試要求。
圖2 數(shù)字示波器測(cè)量時(shí)鐘抖動(dòng)性能
三、頻域進(jìn)行抖動(dòng)分析
時(shí)鐘信號(hào)在時(shí)域產(chǎn)生定時(shí)抖動(dòng)，而在頻域?qū)?yīng)為相位噪聲。由頻域相位噪聲測(cè)量結(jié)果可推導(dǎo)出時(shí)域的抖動(dòng)性能。而且在頻域測(cè)量可以很容易的區(qū)分出隨機(jī)抖動(dòng)和周期抖動(dòng)，周期抖動(dòng)在頻域表現(xiàn)為清晰的頻率毛刺，而隨機(jī)抖動(dòng)則表現(xiàn)為寬帶噪聲譜。使用羅德與施瓦茨公司的儀表產(chǎn)品，SMW200A信號(hào)源輸出測(cè)量信號(hào)后，使用RTO示波器和FSWP相位噪聲分析儀分別進(jìn)行測(cè)量。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)：SMW200A信號(hào)源產(chǎn)生中心載頻為10MHz，信號(hào)輸出功率0dBm。RTO示波器測(cè)量抖動(dòng)值為10.84ps，而FSWP相位噪聲分析儀測(cè)量抖動(dòng)值為3.028ps，接近一致。
圖4 RTO示波器測(cè)試SMW100A信號(hào)源輸出信號(hào)抖動(dòng)特性
圖5 RTO示波器抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果10.24ps
圖6 FSWP相位噪聲分析儀測(cè)試SMW200A信號(hào)源輸出信號(hào)抖動(dòng)特性
圖7 FSWP相位噪聲分析儀測(cè)試抖動(dòng)結(jié)果3.028ps @10MHz
實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)：SMW200A信號(hào)源產(chǎn)生中心載頻為26GHz的連續(xù)波信號(hào)，輸出功率0dBm。而FSWP相位噪聲分析儀測(cè)量抖動(dòng)值為80.708ps。
圖8 FSWP相位噪聲分析儀測(cè)試抖動(dòng)結(jié)果80.708fs @26GHz
四、儀表測(cè)試時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)分析
使用頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試，其使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行相位噪聲的測(cè)量，其測(cè)試動(dòng)態(tài)受限于頻譜分析的本底噪聲和自身內(nèi)部本振相位噪聲性能，且近端受載波泄漏的影響較大。而FSWP相位噪聲分析儀結(jié)合高性能相位噪聲測(cè)試儀和頻譜分析儀，測(cè)試頻率范圍高達(dá)50GHz，使用先進(jìn)的數(shù)字鎖相環(huán)方法測(cè)量相位噪聲，提供互相關(guān)計(jì)算功能，可增加20dB測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍。基于其自身極低的固有相位噪聲和高效的雜散檢測(cè)算法，F(xiàn)SWP相位噪聲分析儀適合進(jìn)行分辨率要求高的時(shí)鐘源抖動(dòng)分析。
根據(jù)相位噪聲分析儀FSWP提供的相位噪聲動(dòng)態(tài)測(cè)量指標(biāo)，分析其測(cè)量抖動(dòng)能力。由于指標(biāo)提供的是儀表自身的相位噪聲，如果被測(cè)信號(hào)具有相同的噪聲能量，通常不能準(zhǔn)確測(cè)量，在指標(biāo)基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)減少10dB進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量指標(biāo)的估算。根據(jù)周期抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)的定義，計(jì)算在頻偏1KHz處，由單一頻率引入的周期抖動(dòng)，和在頻偏1Hz-1MHz頻率范圍內(nèi)，由寬帶噪聲引入的隨機(jī)抖動(dòng)的測(cè)量指標(biāo)。
圖9 FSWP相位噪聲分析儀相位噪聲測(cè)量動(dòng)態(tài)指標(biāo)
由公式
可得到FSWP相位噪聲分析儀測(cè)量抖動(dòng)指標(biāo)
(1fs = 1e-15 秒，1as = 1e-18 秒)
由推導(dǎo)得出的測(cè)量抖動(dòng)指標(biāo)可知，F(xiàn)SWP相位噪聲分析儀FSWP在50GHz頻點(diǎn)，可以提供1.597as的測(cè)試抖動(dòng)能力。
五、時(shí)鐘電路抖動(dòng)測(cè)試
隨著高速數(shù)字設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)速率的提高，整個(gè)系統(tǒng)抖動(dòng)的限制變得更加嚴(yán)格。這尤其適用于時(shí)鐘樹的各個(gè)組件，其中抖動(dòng)限制可供參考時(shí)鐘、時(shí)鐘緩沖器和抖動(dòng)衰減器甚至更加嚴(yán)格。由于相位噪聲靈敏度高，相位噪聲分析儀是這些測(cè)試的必選儀器。
圖10 PCIe時(shí)鐘電路抖動(dòng)性能測(cè)試
測(cè)量高速數(shù)字設(shè)計(jì)中時(shí)鐘的抖動(dòng)變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。例如，PCIe 5.0 使用高達(dá)32GT/s的數(shù)據(jù)速率，參考時(shí)鐘的相應(yīng)抖動(dòng)限制為150fs(RMS)。數(shù)據(jù)引入了64GT/s的速率和100fs的抖動(dòng)限制.新PCIe 6.0 規(guī)范中的參考時(shí)鐘。
相位噪聲分析儀具有更好的抖動(dòng)測(cè)量基底,使其成為測(cè)量現(xiàn)代高速時(shí)鐘抖動(dòng)的理想選擇。為了MAX限度地減少EMI影響，PCIe、USB和HDMI™等標(biāo)準(zhǔn)通常使用擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC)，將低頻FM應(yīng)用于參考時(shí)鐘。由于SSC給時(shí)鐘帶來(lái)了額外的影響，時(shí)鐘抖動(dòng)也需要在SSC ON的模式下進(jìn)行驗(yàn)證。
憑借其數(shù)字解調(diào)器架構(gòu)，R&S®FSWP相位噪聲分析儀支持并行測(cè)量相位噪聲和調(diào)幅（AM）噪聲，并在相位噪聲測(cè)量中提供非常高的AM抑制。該架構(gòu)還支持在SSC ON 模式下測(cè)量參考時(shí)鐘。該儀器還具有高相位噪聲靈敏度，還可以通過(guò)R&S®FSWP-B1選件添加全頻譜和信號(hào)分析儀功能，以分析復(fù)雜時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)中的耦合效應(yīng)。為符合PCIe 5.0 的32GT/s數(shù)據(jù)速率，總共定義了16種不同的系統(tǒng)傳輸函數(shù)。對(duì)于每一個(gè)加權(quán)抖動(dòng)結(jié)果都需要低于150fs的限制。在 SSC ON模式下，在應(yīng)用加權(quán)和抖動(dòng)積分之前需要消除高達(dá)2MHz的SSC雜散（基波和諧波分量）。為了方便操作，可使用外部軟件工具進(jìn)行測(cè)試控制。該工具可自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)的測(cè)量和后處理（SSC雜散去除、加權(quán)、抖動(dòng)積分以及從不同系統(tǒng)傳遞函數(shù)中識(shí)別高抖動(dòng)結(jié)果）。
圖11 PCIe時(shí)鐘（SSC模式關(guān)閉）相位噪聲和加重抖動(dòng)測(cè)試
圖12 PCIe 時(shí)鐘（SSC模式打開）相位噪聲測(cè)試
新一代的相位噪聲分析儀FSWP，是專業(yè)相位噪聲分析儀和頻譜分析儀的結(jié)合，單表頻率覆蓋范圍高達(dá)50GHz，使用此儀表測(cè)試時(shí)鐘信號(hào)，不僅可以進(jìn)行高精度的隨機(jī)和周期性抖動(dòng)性能測(cè)試，同時(shí)也可完成寬帶雜散和高次諧波等頻譜測(cè)試。
六、擴(kuò)展測(cè)試連接
時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)和調(diào)試的挑戰(zhàn)之一是缺乏可用的測(cè)試點(diǎn)，這使得驗(yàn)證電路的性能變得困難。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)通常需要在信號(hào)路徑上的多個(gè)階段進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)人員通過(guò)將射頻連接器作為路徑上的測(cè)試點(diǎn)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。然而隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)中元件尺寸的不斷縮小以及電路板上空間的限制，整合足夠的射頻測(cè)試連接端口以進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，一種潛在的解決方案是使用示波器探頭。表面安裝組件和印刷電路板軌道上的可用空間為連接探頭末端提供了足夠的空間。通過(guò)直接探測(cè)電路，可以避免在設(shè)計(jì)的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)上安裝連接器的需要。然而使用示波器探頭和相位噪聲分析儀進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量需要了解電路、探頭和分析儀之間的接口。雖然分析儀的輸入阻抗為50Ω，但這可能不適合許多示波器探頭。現(xiàn)代示波器探頭提供高阻抗、低電容負(fù)載和幾GHz的寬帶寬，使其成為使用分析儀進(jìn)行RF測(cè)量的出色工具。
由于分析儀的探頭接口可用，直接在電路板上進(jìn)行射頻測(cè)試變得可行。有源高阻抗探頭可以連接到分析儀，提供實(shí)用且高精度的測(cè)量解決方案，以克服原本繁瑣的射頻測(cè)試問(wèn)題。
圖13 時(shí)鐘電路
R&S®RT-ZM 模塊化探頭系統(tǒng)滿足高探測(cè)帶寬和動(dòng)態(tài)范圍的需求結(jié)合低容性負(fù)載的需要。模塊化探頭系統(tǒng)可配備放大器模塊提供 1.5 GHz 至 16 GHz的帶寬。這些模塊配有羅德與施瓦茨公司的各類探頭，允許在羅德與施瓦茨分析儀上進(jìn)行自動(dòng)探頭檢測(cè)和配置的接口。模塊化探頭系統(tǒng)還提供多模式功能，使用戶能夠在不同模式之間切換測(cè)量模式，如單端或差分模式。
圖14 R&S®RT-ZM 探頭放大器模塊，帶有探頭接口和雙插座SMP 連接器
放大器配備小型化高品質(zhì)高頻同軸雙插座SMP連接器可與各種探針模塊靈活卡扣配合使用。該系統(tǒng)包括適用于各種測(cè)量任務(wù)和條件的探頭末端模塊。包括焊料用于探測(cè)小型區(qū)域的探頭末端等。
圖15 適用于R&S®RT-ZM 的R&S探頭前端模塊
示波器有源探頭具有高輸入阻抗和低電容負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，通常通過(guò)寬帶FET 放大器實(shí)現(xiàn)。探頭放大器輸出具有 50 Ω 阻抗，與分析儀的RF輸入端口十分匹配。將有源探頭與頻譜分析儀結(jié)合使用的困難在于連接探頭并向內(nèi)置放大器供電的接口。
圖16 配有USB電纜和有源探頭放大器的探頭適配器R&S RT-ZA9
R&S RT-ZA9 探頭適配器將 R&S有源探頭的探頭插頭轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)N 型公頭射頻連接器。分析儀的電源和數(shù)據(jù)連接通過(guò) Mini-USB 連接適配器。
圖17 探頭適配器R&S RT-ZA9前視圖和后視圖
R&S RT-ZA51 是一款探頭適配器，配有R&S探頭接口、USB-C連接器、3.5 mm陰頭RF連接器和直流插孔。該適配器使用USB C 型連接器來(lái)供電和控制測(cè)量。該適配器附帶一根短USB-C 至 USB-A電纜用于傳輸數(shù)據(jù)和提供電源。
圖18 探頭適配器 R&S RT-ZA51
七、總結(jié)
使用專業(yè)的相位噪聲分析儀測(cè)量相位噪聲測(cè)量結(jié)果，轉(zhuǎn)換得到抖動(dòng)性能的方法。基于測(cè)量?jī)x表FSWP自身出色的相位噪聲高測(cè)試動(dòng)態(tài)性能，提供高精度的時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量性能。針對(duì)高速數(shù)字總線時(shí)鐘測(cè)量，提供符合標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試軟件，簡(jiǎn)化測(cè)試，和R&S公司的示波器探頭適配，滿足多種測(cè)試連接需求。