用示波器测量确定性抖动

为抖动测量而设计的专用测试设备各种各样，但价格都非常高，而且对某些应用来说太过专业而不适用。其实利用普通数字采样示波器，设计人员也能准确快速地进行确定性抖动测量，成本比所预计的要低很多。本文介绍针对较短的测试序列如何用示波器进行抖动测量。
准确的抖动测量对以太网和光通路元件来说是一个挑战。抖动可以分成两类，即随机性(无界限)抖动和确定性(有界限)抖动。确定性抖动(DJ)包括在受控条件下能够重现的所有抖动，可以再细分为周期抖动(PJ)、测试序列模板造成的抖动(PDJ)、脉宽失真(DCD)和有限无关联抖动。
产生确定性抖动的主要原因有：
1．基准电平模糊。由系统低频截止点引起，它会在长串连续同样数字(CID)附近产生抖动。
2．系统带宽不足。这会阻止某些脉冲达到稳态水平，在分隔的脉冲(如..010..或..101..数据序列)上引起抖动。
3．放大器偏置。可在每次数据转换时引起脉宽变形。
4．非线性放大器效应。它会产生不可预测的抖动影响，经常在长串CID之后引起抖动。
5．电源噪声和串扰。会产生与数据输入无关的抖动(有时称作有限无关联抖动)。
光纤通讯系统中，抖动会在每个元件上累积。在接收端，时钟和数据恢复电路(CDR)分析数据并分解出串行速率时钟，CDR上的抖动表现为时钟速率小频率变化。缓慢的变化(小频率抖动)很容易跟踪，而快速变化(高频抖动)则不那么容易。如果接收端有太多高频抖动，时钟就不能分解出来，于是在数据通信中出现大量错误。
抖动余量考虑
为防止上面所说的这种情况出现，系统设计人员应考虑采用抖动余量。注意确定性抖动是线性增加的(在最坏情况下所有抖动源都加在一起)，而随机性抖动则以几何倍数增加(平方和再开方)，这里假设引起随机性抖动的噪声源是独立无关的。将抖动元件分开会使每个元件产生的抖动更加随机，这有几个好处，包括链接距离更长及元件成本更低。
应注意的是，确定性抖动测量误差总是使元件确定性抖动显得更大，而且是直接从余量中减去，随机性抖动测量误差没有这么严重，所以更需要准确测量确定性抖动。
测量确定性抖动需要知道一个数据模板序列。K28.5是测量光纤通道和工作在1Gb/s到3.125Gb/s以太网系统抖动通常指定的序列模板，该序列是8B/10B译码表中的一个特殊字符，经常表示一帧的开始或结束。重复的K28.5序列(轮流由K28.5+和K28.5-构成)含有数据串0011111010110000010，它有五个连续的1和五个连续的0(8B/10B译码数据中最长连续同样数字)，它还含有分开的1-010和0-101。
重复的K28.5序列可用于测量因基准电平模糊、低带宽和偏置引起的确定性抖动，其它序列更适合于测量非线性影响引起的抖动。
抖动测量
用示波器测量确定性抖动通常有三种方法，分别是眼图法、平均眼图法和平均交叉测量法。
使用眼图法时，示波器将同时显示多个交叉的波形，可以迅速看到整体抖动情况(确定性抖动和随机性抖动结合在一起)。眼图法的主要优点是速度快和设置方便，图1显示了测试设备和被测器件(DUT)的典型设置。但眼图既不能把随机性抖动和确定性抖动分离开，也不能将测试系统引起的抖动去掉。
用眼图法时应清楚触发方式会掩盖大部分确定性抖动，例如假设序列发生器每10个时钟周期提供一次触发，如果序列长度是偶数，那么示波器就不会在奇数位上触发，这会将一些转换掩盖掉，利用奇数长度序列或在序列发生器时钟输出上的触发可以避免这个问题。
如果被测器件含有时间再生电路(时钟恢复或再定时器)，应采用好的锁相环来恢复示波器触发时钟，该锁相环是针对特定协议的。另外如果被测器件内有光学元件，还需要增加适当的光变换器(光-电或电-光转换器)。必要时可假设光转换器或锁相环已包含在测试设备里。
有些示波器提供的平均模式能去除眼图中的随机性抖动，这种模式与基本眼图相比精确性和可重复性都更高，但与触发有关的问题同样存在。
平均交叉测量法在K28.5序列上能准确测量确定性抖动的大部分来源，其步骤如下：
1．如图1所示连接好被测器件，将示波器触发设为序列模板。
2．在示波器屏幕上显示整个K28.5序列。
3．计算屏幕上每次转换的预期交叉时间(最好是单位时间间隔，但应跳过没有转换的单位时间间隔)。
4．反复进行平均运算。
5．把交叉制成表格并计算抖动，重复K28.5序列(001111101011000001010)有10个交叉。
6．保证信号填满垂直平面的至少2/3，这样可使示波器的数字化性能最佳。
7．示波器主要位置设定尽可能小(使延迟离开触发，显示尽可能短以减少触发抖动)。
8．使用最大水平分辨率(多个水平点)。
9．反复进行平均(平均64到1,000次)以减少随机性抖动。
注意周期性抖动和有限无关联抖动不能用已平均的示波器波形来捕捉，应采用其它方法测量，如果能安全假设被测器件不会产生大量这类抖动，那就可用平均交叉测量。
对于使用扰频器的系统，该技术则太过困难用不能使用，因为这类系统的测试序列一般都很长。例如通常用于测试扰频数据系统的223-1伪随机二进制序列长度超过800万比特，对如此长的图形进行平均交叉测量很慢，而且也不准确。
增强准确性
当今很多元件的确定性抖动与模板发生器和示波器的差不多或更小，因此要准确确定这些元件的抖动就要先找出测试系统引入的抖动，然后对测量进行调整。把被测器件从测试装置上拿掉并判定数据图形每次转换的抖动可测出系统误差，然后把被测器件放回到测试系统，再次测量抖动值，可通过算术方法判定出被测器件产生的抖动。
这里介绍的平均交叉测量方法非常适合于使用8B/10B编码系统的以太网和光纤通道元件的确定性抖动测量，仅采用常用测试设备就可进行准确可重复的抖动测量。