化工儀器網(wǎng)
產(chǎn)品簡(jiǎn)介
品牌：安捷倫
型號(hào)：83480A
類型：分析儀器
型號(hào)：83480A
類型：分析儀器
詳細(xì)介紹
適用于OC-192/STM-64高速產(chǎn)品設(shè)計(jì)的抖動(dòng)測(cè)試技術(shù)
設(shè)計(jì)工程師對(duì)10Gbps收發(fā)器的抖動(dòng)性能和電器特性的解釋和測(cè)量方法不盡相同，迄今為止，對(duì)測(cè)試和測(cè)量10Gbps數(shù)字通訊收發(fā)器進(jìn)行定量描述的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未確定，短期內(nèi)也難以見(jiàn)到這種技術(shù)規(guī)范。GTRAN Inc.應(yīng)用與開發(fā)工程John Pertessis長(zhǎng)期從事無(wú)線和光纖通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試，他全面介紹了OC-192/STM-64產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中抖動(dòng)指標(biāo)的定義、測(cè)試方法和影響測(cè)試結(jié)果的因素以及降低抖動(dòng)的解決方案。
在測(cè)試OC-192/STM-64通訊應(yīng)用系統(tǒng)的板級(jí)產(chǎn)品中，工程師面臨許多挑戰(zhàn)，比如測(cè)試10Gbps時(shí)抖動(dòng)和電氣特性等關(guān)鍵性能指標(biāo)就很難。OC-192/STM-64產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否成功，取決于設(shè)計(jì)校驗(yàn)直到生產(chǎn)全過(guò)程所選用的測(cè)試方法。建立測(cè)試步驟的方法也同樣重要。
Bellcore及ITU定義的抖動(dòng)參數(shù)與設(shè)備級(jí)光口有關(guān)，它不限于特定的元件性能。定義雖然很簡(jiǎn)單，但在元件級(jí)的抖動(dòng)參數(shù)的評(píng)估可能會(huì)很困難。下面將介紹抖動(dòng)容差、抖動(dòng)轉(zhuǎn)移、抖動(dòng)生成的定義以及從10Gbps時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)、多路信號(hào)分離器及多路復(fù)用器器件測(cè)得的電氣測(cè)試結(jié)果。
抖動(dòng)定義
抖動(dòng)容差定義為CDR器件出現(xiàn)誤碼時(shí)輸入數(shù)據(jù)抖動(dòng)的大小。特殊情況下，接收設(shè)備的抖動(dòng)容差定義為出現(xiàn)1dB光衰減時(shí)正弦峰-峰相位調(diào)制度。當(dāng)表征CDR元件的抖動(dòng)容差時(shí)，要在輸入信號(hào)中加入白噪聲。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信噪比(SNR)可測(cè)量CDR的輸入靈敏度。例如，設(shè)置BER=10-9時(shí)的輸入SNR，再向輸入信號(hào)加2dB(電功率)，然后就能夠確定恢復(fù)BER=10-9所要求的峰-峰值抖動(dòng)振幅。測(cè)試過(guò)程中要采用31位偽隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)流(PRBS)模式。
在OC-192的設(shè)計(jì)過(guò)程中，測(cè)量抖動(dòng)轉(zhuǎn)移函數(shù)也很重要。抖動(dòng)轉(zhuǎn)移函數(shù)定義為在給定頻率處輸出抖動(dòng)與輸入抖動(dòng)的比值。輸入正弦信號(hào)的抖動(dòng)應(yīng)與抖動(dòng)容差模板所在頻率上抖動(dòng)容差的幅度*，比如在400kHz頻點(diǎn)時(shí)，輸入正弦信號(hào)的抖動(dòng)為1.5UIp-p(單位間隔點(diǎn)-點(diǎn))；在4MHz頻點(diǎn)時(shí)，輸入正弦信號(hào)的抖動(dòng)為0.15UIp-p。采用31位PRBS模式測(cè)試時(shí)，輸入SNR電平要比輸入靈敏度極限高2dB(電功率)。
在抖動(dòng)轉(zhuǎn)移函數(shù)中有兩個(gè)重要參數(shù)：抖動(dòng)增益(或抖動(dòng)峰值)和抖動(dòng)轉(zhuǎn)移帶寬。在輸入到輸出包含若干鎖相環(huán)通路的系統(tǒng)中，對(duì)CDR電路和時(shí)鐘發(fā)生器的輸出器件來(lái)說(shuō)，只有抖動(dòng)增益是重要的。整個(gè)抖動(dòng)轉(zhuǎn)移帶寬由低帶寬環(huán)路控制，典型情況下采用電壓控制晶體振蕩器(VCXO)。
當(dāng)CDR是系統(tǒng)中*的時(shí)鐘發(fā)生單元時(shí)，抖動(dòng)轉(zhuǎn)移帶寬與抖動(dòng)容差必須符合ITU-T規(guī)范。抖動(dòng)產(chǎn)生是另一個(gè)重要的參數(shù)。抖動(dòng)產(chǎn)生定義為在元件輸出端抖動(dòng)的大小，它是評(píng)估傳輸系統(tǒng)元件時(shí)鐘發(fā)生器輸出的*參數(shù)。時(shí)鐘發(fā)生器可以是一個(gè)獨(dú)立器件、多路復(fù)用器的一個(gè)有機(jī)部分或在單PLL時(shí)鐘重分配器中的CDR時(shí)鐘輸出。測(cè)量過(guò)程需要一個(gè)時(shí)鐘輸出或一個(gè)理想的CDR，其作用是在給定頻率范圍內(nèi)用定義良好的抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性來(lái)恢復(fù)輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。通過(guò)在給定頻率范圍內(nèi)對(duì)整個(gè)相位噪聲譜分量取積分運(yùn)算可以獲得抖動(dòng)產(chǎn)生的峰-峰值，通過(guò)對(duì)平方相位噪聲振幅譜的積分取平方根可以得到抖動(dòng)產(chǎn)生的RMS值。
圖1所示為10Gbps多路復(fù)用器的數(shù)據(jù)輸出。在ITU規(guī)定的頻率范圍50kHz到80MHz上，測(cè)到的抖動(dòng)產(chǎn)生為0.034UIp-p。
其他測(cè)量技術(shù)
測(cè)量抖動(dòng)的方法很多，可在頻域也可以在時(shí)域測(cè)量。測(cè)量結(jié)果可能因所采用的測(cè)量技術(shù)的差異而不同。頻域測(cè)量要在的頻率范圍內(nèi)完成，時(shí)域測(cè)量一般要覆蓋非常大的帶寬(從DC到20GHz)。使用頻譜分析儀或抖動(dòng)分析儀可以有效地測(cè)量隨機(jī)抖動(dòng)。由傳輸線失配引起的反射造成的確定性抖動(dòng)會(huì)形成電壓駐波比(VSWR)和非線形相位響應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致碼間干擾(ISI)。確定性抖動(dòng)在頻域?qū)⒑茈y定量測(cè)量，但是采用示波器在時(shí)域測(cè)量就容易得多。
時(shí)域測(cè)量能獲得抖動(dòng)分量呈現(xiàn)隨機(jī)和確定特性的信號(hào)的抖動(dòng)峰-峰值。時(shí)域測(cè)量的*的缺點(diǎn)是帶寬要求很大，而SONET/ITU抖動(dòng)性能是針對(duì)頻率范圍規(guī)定的。抖動(dòng)產(chǎn)生及其測(cè)量方法由GR-1377-CORE規(guī)范中“元件和網(wǎng)絡(luò)接口電平"部分規(guī)定。
規(guī)范的5.6.2.3節(jié)規(guī)定，在任意規(guī)定的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)，從50kHz到80MHz頻率范圍內(nèi)的元件級(jí)抖動(dòng)產(chǎn)生定義為0.1UIp-p。這表明抖動(dòng)測(cè)量更適合在頻域上而不是通過(guò)示波器在時(shí)域上完成。
規(guī)范的5.6.1節(jié)規(guī)定，在1分鐘時(shí)間間隔內(nèi)，從10kHz到80MHz頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)接口抖動(dòng)不應(yīng)超過(guò)1.5UI p-p；從4MHz到80MHz頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)接口抖動(dòng)不應(yīng)超過(guò)0.15UIp-p。這個(gè)要求是在網(wǎng)絡(luò)級(jí)規(guī)定的，且因?yàn)橐?guī)定了測(cè)量時(shí)間間隔，所以網(wǎng)絡(luò)接口抖動(dòng)可在時(shí)域測(cè)量。如果要在時(shí)域進(jìn)行測(cè)量，必須通過(guò)帶通濾波器來(lái)限制測(cè)量帶寬。要盡可能利用商業(yè)抖動(dòng)分析測(cè)試設(shè)備進(jìn)行用戶設(shè)置。OC-192/STM-64抖動(dòng)性能測(cè)量的測(cè)量配置應(yīng)包括：配有*的放大器的一臺(tái)頻譜分析儀、RF Summers及軟件(用來(lái)配置設(shè)備和在給定的帶寬上將實(shí)際頻譜測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為峰-峰值和RMS抖動(dòng)值)。
抖動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置與商用測(cè)量設(shè)備的設(shè)置如圖2所示。工程師要做的工作是用抖動(dòng)分析儀、VCO以及具有10Gbps模式發(fā)生器的抖動(dòng)/調(diào)制信號(hào)源取代頻譜分析儀。模式發(fā)生器應(yīng)該產(chǎn)生至少80MHz調(diào)制帶寬的信號(hào)。測(cè)量抖動(dòng)zui關(guān)鍵因素是觸發(fā)器的品質(zhì)和測(cè)試設(shè)備的精度。商用測(cè)試儀器的抖動(dòng)精度大約為1ps p-p。優(yōu)良品質(zhì)的觸發(fā)脈沖是示波器或抖動(dòng)分析儀工作的必要條件。
可靠的觸發(fā)
為了得到可靠的觸發(fā)，使用能夠產(chǎn)生低相位噪聲的10Gbps正弦信號(hào)來(lái)同步10Gbps數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率合成器。由頻率合成器觸發(fā)的PRBS發(fā)生器也可提供良好的10GHz觸發(fā)脈沖，例如Agilent(安捷倫)公司的HP71612A或Anritsu公司的MP1763B。對(duì)時(shí)域測(cè)量，示波器應(yīng)有10GHz的觸發(fā)輸入，例如Tektronix公司的CSA803或安捷倫的HP83480。
抖動(dòng)分析儀在頻域測(cè)量抖動(dòng)，它也需要同步時(shí)鐘，因?yàn)楝F(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備無(wú)法僅從數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)鐘。當(dāng)測(cè)試配備多路器的收發(fā)器時(shí)，由于該器件不提供與數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)娜贂r(shí)鐘，因此必須產(chǎn)生一個(gè)10GHz的時(shí)鐘信號(hào)。抖動(dòng)分析儀用時(shí)鐘信號(hào)同步輸入數(shù)據(jù)，所以時(shí)鐘上的任何相位噪聲都將影響抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果。當(dāng)然，如果選用頻譜分析儀的話，就不需要觸發(fā)信號(hào)。用頻譜分析儀測(cè)量抖動(dòng)的缺點(diǎn)在于10Gbps時(shí)只有1010...模式可資利用。當(dāng)使用頻譜分析儀測(cè)量抖動(dòng)時(shí)，隨機(jī)數(shù)據(jù)模式會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果，因?yàn)殡S機(jī)數(shù)據(jù)模式在數(shù)據(jù)信號(hào)的zui大時(shí)鐘速率附近產(chǎn)生的能量具備SINC函數(shù)特性。如果試圖在頻域進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)信號(hào)的抖動(dòng)可能被該能量掩蓋。
穩(wěn)定溫度的措施
當(dāng)測(cè)量10Gbps PHY器件的抖動(dòng)性能時(shí)，被測(cè)器件(DUT)的溫度穩(wěn)定性很重要。接通電源后，象CDR、多路信號(hào)分離器、多路復(fù)用器、互阻放大器、限幅放大器以及激光二極管驅(qū)動(dòng)器等器件的溫度會(huì)快速升高。相位響應(yīng)變化表明，當(dāng)器件溫度波動(dòng)時(shí)，整個(gè)器件的信號(hào)傳輸延遲變化很快。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，工程師至少需要30分鐘的溫度穩(wěn)定時(shí)間。與上電過(guò)程中溫度的快速變化相比，實(shí)際環(huán)境中器件的溫度不會(huì)變化得太快。正常工作過(guò)程中，溫度變化會(huì)造成器件數(shù)據(jù)流量的延遲隨時(shí)間漂移。GR-1377-CORE 規(guī)范5.6節(jié)明確了隨時(shí)間緩慢變化的穩(wěn)變溫度的極限。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，有必要在幾個(gè)固定溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。快變溫度條件下，不一定要測(cè)試。
信號(hào)跳變時(shí)間測(cè)量
信號(hào)跳變時(shí)間可以用正常觸發(fā)被驅(qū)動(dòng)器件輸入緩沖器的觸發(fā)電壓范圍來(lái)衡量,它不應(yīng)超過(guò)給定觸發(fā)電壓范圍的10%到90%或20%到80%。
在傳輸環(huán)境和終端負(fù)載失配情況下，信號(hào)波形將出現(xiàn)過(guò)沖和反沖，對(duì)該信號(hào)波形的電壓范圍進(jìn)行跳變時(shí)間的測(cè)量其實(shí)存在誤導(dǎo)作用，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，上升和下降時(shí)間之和會(huì)等于或大于數(shù)據(jù)位的時(shí)間。因此，測(cè)量驅(qū)動(dòng)器件的信號(hào)擺率就很重要。這可由測(cè)量給定電壓范圍上的跳變時(shí)間來(lái)得到，該電壓范圍涵蓋了器件輸入緩沖器的判決門限。
在20%到80%的電壓范圍上測(cè)量信號(hào)的跳變時(shí)間與確定驅(qū)動(dòng)器件信號(hào)的跳變時(shí)間裕量的重要性不同。跳變時(shí)間可以在涵蓋器件輸入緩沖器判決門限的電壓范圍內(nèi)定義并測(cè)量。此外，測(cè)試配置要確保被測(cè)信號(hào)不失真。測(cè)試設(shè)備的帶寬必須大于被測(cè)信號(hào)的三次諧波頻率以確保實(shí)際電氣性能的正確測(cè)試。10Gbps信號(hào)的三次諧波相當(dāng)于15GHz。
選用的測(cè)試設(shè)備和電纜的zui小帶寬是20GHz。通訊分析儀示波器見(jiàn)圖3，是用來(lái)測(cè)量多路復(fù)用器輸出(10Gbps和622MHz)的電氣性能。電氣性能包括跳變時(shí)間、峰-峰幅度、眼開幅度(eye opening amplitude)及占空比。該示波器可用來(lái)進(jìn)行粗略的抖動(dòng)測(cè)量。遺憾的是，你無(wú)法控制測(cè)量示波器的帶寬。高速示波器測(cè)量的頻率成分從DC直流到20GHz，圖3所示，高亮部分測(cè)量結(jié)果為9.953280Gbps的多路信號(hào)輸出，以及信號(hào)搖擺為800mVp-p的31位PRBS模式(信號(hào)的zui小數(shù)據(jù)眼開幅度為600mVp-p)。該測(cè)量通過(guò)模式發(fā)生器的10GHz觸發(fā)信號(hào)來(lái)觸發(fā)HP83480A示波器。圖4為來(lái)自多路10Gbps數(shù)據(jù)輸出的7位PRBS輸出模式，該測(cè)量通過(guò)模式發(fā)生器產(chǎn)生的模式同步觸發(fā)信號(hào)來(lái)觸發(fā)HP83480A示波器，測(cè)量波形顯示了數(shù)據(jù)率為9.953280GHz時(shí)“1"和“0"形狀的好壞。
減少抖動(dòng)的實(shí)例
在對(duì)OC-192/STM-64系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，影響測(cè)量結(jié)果的因素很多，包括抖動(dòng)、交叉耦合/串?dāng)_、不恰當(dāng)?shù)亩私幼杩埂鬏斁€失配、電纜屏蔽不良、頻響衰減及錯(cuò)誤的時(shí)序等。下面給出若干例子及其解決方案。
例1：在用戶實(shí)驗(yàn)室對(duì)仿真板測(cè)試時(shí)，由于測(cè)試設(shè)置問(wèn)題，測(cè)得的抖動(dòng)指標(biāo)很差，其原因在于電源噪聲以及連接測(cè)試設(shè)備和仿真板之間的10Gbps信號(hào)電纜的頻響和屏蔽性能太差。抖動(dòng)測(cè)量通過(guò)示波器完成。更換為低噪聲的電源和具有K接頭和20GHz頻響的良好屏蔽電纜之后，抖動(dòng)性能得到改善并遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于ITU規(guī)范的要求。
例2：由于在相位調(diào)零電路使用了劣質(zhì)VCXO，仿真板測(cè)得的抖動(dòng)指標(biāo)很差，時(shí)域測(cè)得的抖動(dòng)超過(guò)20ps p-p。將VCXO替換為具有優(yōu)異相位噪聲響應(yīng)的VCXO，通過(guò)HP83480A示波器測(cè)得的抖動(dòng)降為10ps p-p。
例3：在測(cè)試一個(gè)包含10Gbps的CDR/多路信號(hào)分離器和多路復(fù)用器的用戶設(shè)計(jì)中，抖動(dòng)性能的測(cè)量結(jié)果非常差。將仿真板放到同樣的測(cè)試設(shè)置中結(jié)果仍然很差，這說(shuō)明測(cè)試設(shè)置過(guò)程有問(wèn)題。zui后查明，向被測(cè)器件提供數(shù)據(jù)的模式發(fā)生器由不穩(wěn)定的頻率信號(hào)源觸發(fā)，提供給模式發(fā)生器的10GHz時(shí)鐘沒(méi)有鎖定。將頻率信號(hào)源換成穩(wěn)定的頻率合成器后，抖動(dòng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
有意者請(qǐng)：
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