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83480A安捷倫Agilent/信號發生器
Agilent/HP/83480A/通訊信號分析儀 帶選件83485、83493
10kHz到80MHz
適用于OC-192/STM-64高速產品設計的抖動測試技術
設計工程師對10Gbps收發器的抖動性能和電器特性的解釋和測量方法不盡相同，迄今為止，對測試和測量10Gbps數字通訊收發器進行定量描述的工業標準尚未確定，短期內也難以見到這種技術規范。GTRAN Inc.應用與開發工程John Pertessis長期從事無線和光纖通訊系統的設計和測試，他全面介紹了OC-192/STM-64產品設計過程中抖動指標的定義、測試方法和影響測試結果的因素以及降低抖動的解決方案。
在測試OC-192/STM-64通訊應用系統的板級產品中，工程師面臨許多挑戰，比如測試10Gbps時抖動和電氣特性等關鍵性能指標就很難。OC-192/STM-64產品的設計是否成功，取決于設計校驗直到生產全過程所選用的測試方法。建立測試步驟的方法也同樣重要。
Bellcore及ITU定義的抖動參數與設備級光口有關，它不限于特定的元件性能。定義雖然很簡單，但在元件級的抖動參數的評估可能會很困難。下面將介紹抖動容差、抖動轉移、抖動生成的定義以及從10Gbps時鐘數據恢復(CDR)、多路信號分離器及多路復用器器件測得的電氣測試結果。
抖動定義
抖動容差定義為CDR器件出現誤碼時輸入數據抖動的大小。特殊情況下，接收設備的抖動容差定義為出現1dB光衰減時正弦峰-峰相位調制度。當表征CDR元件的抖動容差時，要在輸入信號中加入白噪聲。通過調節輸入信噪比(SNR)可測量CDR的輸入靈敏度。例如，設置BER=10-9時的輸入SNR，再向輸入信號加2dB(電功率)，然后就能夠確定恢復BER=10-9所要求的峰-峰值抖動振幅。測試過程中要采用31位偽隨機二進制數據流(PRBS)模式。
在OC-192的設計過程中，測量抖動轉移函數也很重要。抖動轉移函數定義為在給定頻率處輸出抖動與輸入抖動的比值。輸入正弦信號的抖動應與抖動容差模板所在頻率上抖動容差的幅度*，比如在400kHz頻點時，輸入正弦信號的抖動為1.5UIp-p(單位間隔點-點)；在4MHz頻點時，輸入正弦信號的抖動為0.15UIp-p。采用31位PRBS模式測試時，輸入SNR電平要比輸入靈敏度極限高2dB(電功率)。
在抖動轉移函數中有兩個重要參數：抖動增益(或抖動峰值)和抖動轉移帶寬。在輸入到輸出包含若干鎖相環通路的系統中，對CDR電路和時鐘發生器的輸出器件來說，只有抖動增益是重要的。整個抖動轉移帶寬由低帶寬環路控制，典型情況下采用電壓控制晶體振蕩器(VCXO)。
當CDR是系統中*的時鐘發生單元時，抖動轉移帶寬與抖動容差必須符合ITU-T規范。抖動產生是另一個重要的參數。抖動產生定義為在元件輸出端抖動的大小，它是評估傳輸系統元件時鐘發生器輸出的*參數。時鐘發生器可以是一個獨立器件、多路復用器的一個有機部分或在單PLL時鐘重分配器中的CDR時鐘輸出。測量過程需要一個時鐘輸出或一個理想的CDR，其作用是在給定頻率范圍內用定義良好的抖動轉移特性來恢復輸出數據信號。通過在給定頻率范圍內對整個相位噪聲譜分量取積分運算可以獲得抖動產生的峰-峰值，通過對平方相位噪聲振幅譜的積分取平方根可以得到抖動產生的RMS值。
圖1所示為10Gbps多路復用器的數據輸出。在ITU規定的頻率范圍50kHz到80MHz上，測到的抖動產生為0.034UIp-p。
其他測量技術
測量抖動的方法很多，可在頻域也可以在時域測量。測量結果可能因所采用的測量技術的差異而不同。頻域測量要在的頻率范圍內完成，時域測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分析儀可以有效地測量隨機抖動。由傳輸線失配引起的反射造成的確定性抖動會形成電壓駐波比(VSWR)和非線形相位響應，進而導致碼間干擾(ISI)。確定性抖動在頻域將很難定量測量，但是采用示波器在時域測量就容易得多。
時域測量能獲得抖動分量呈現隨機和確定特性的信號的抖動峰-峰值。時域測量的*的缺點是帶寬要求很大，而SONET/ITU抖動性能是針對頻率范圍規定的。抖動產生及其測量方法由GR-1377-CORE規范中“元件和網絡接口電平"部分規定。
規范的5.6.2.3節規定，在任意規定的測量時間間隔內，從50kHz到80MHz頻率范圍內的元件級抖動產生定義為0.1UIp-p。這表明抖動測量更適合在頻域上而不是通過示波器在時域上完成。
規范的5.6.1節規定，在1分鐘時間間隔內，從10kHz到80MHz頻率范圍內，網絡接口抖動不應超過1.5UI p-p；從4MHz到80MHz頻率范圍內，網絡接口抖動不應超過0.15UIp-p。這個要求是在網絡級規定的，且因為規定了測量時間間隔，所以網絡接口抖動可在時域測量。如果要在時域進行測量，必須通過帶通濾波器來限制測量帶寬。要盡可能利用商業抖動分析測試設備進行用戶設置。OC-192/STM-64抖動性能測量的測量配置應包括：配有*的放大器的一臺頻譜分析儀、RF Summers及軟件(用來配置設備和在給定的帶寬上將實際頻譜測量結果轉換為峰-峰值和RMS抖動值)。
抖動測量系統設置與商用測量設備的設置如圖2所示。工程師要做的工作是用抖動分析儀、VCO以及具有10Gbps模式發生器的抖動/調制信號源取代頻譜分析儀。模式發生器應該產生至少80MHz調制帶寬的信號。測量抖動zui關鍵因素是觸發器的品質和測試設備的精度。商用測試儀器的抖動精度大約為1ps p-p。優良品質的觸發脈沖是示波器或抖動分析儀工作的必要條件。
可靠的觸發
為了得到可靠的觸發，使用能夠產生低相位噪聲的10Gbps正弦信號來同步10Gbps數據信號的頻率合成器。由頻率合成器觸發的PRBS發生器也可提供良好的10GHz觸發脈沖，例如Agilent(安捷倫)公司的HP71612A或Anritsu公司的MP1763B。對時域測量，示波器應有10GHz的觸發輸入，例如Tektronix公司的CSA803或安捷倫的HP83480。
抖動分析儀在頻域測量抖動，它也需要同步時鐘，因為現有的測試設備無法僅從數據恢復時鐘。當測試配備多路器的收發器時，由于該器件不提供與數據同時傳輸的全速時鐘，因此必須產生一個10GHz的時鐘信號。抖動分析儀用時鐘信號同步輸入數據，所以時鐘上的任何相位噪聲都將影響抖動測試結果。當然，如果選用頻譜分析儀的話，就不需要觸發信號。用頻譜分析儀測量抖動的缺點在于10Gbps時只有1010...模式可資利用。當使用頻譜分析儀測量抖動時，隨機數據模式會產生錯誤的測量結果，因為隨機數據模式在數據信號的zui大時鐘速率附近產生的能量具備SINC函數特性。如果試圖在頻域進行測量，數據信號的抖動可能被該能量掩蓋。
穩定溫度的措施
當測量10Gbps PHY器件的抖動性能時，被測器件(DUT)的溫度穩定性很重要。接通電源后，象CDR、多路信號分離器、多路復用器、互阻放大器、限幅放大器以及激光二極管驅動器等器件的溫度會快速升高。相位響應變化表明，當器件溫度波動時，整個器件的信號傳輸延遲變化很快。
在實驗室環境，工程師至少需要30分鐘的溫度穩定時間。與上電過程中溫度的快速變化相比，實際環境中器件的溫度不會變化得太快。正常工作過程中，溫度變化會造成器件數據流量的延遲隨時間漂移。GR-1377-CORE 規范5.6節明確了隨時間緩慢變化的穩變溫度的極限。在實驗室環境，有必要在幾個固定溫度點進行測量。快變溫度條件下，不一定要測試。
信號跳變時間測量
信號跳變時間可以用正常觸發被驅動器件輸入緩沖器的觸發電壓范圍來衡量,它不應超過給定觸發電壓范圍的10%到90%或20%到80%。
在傳輸環境和終端負載失配情況下，信號波形將出現過沖和反沖，對該信號波形的電壓范圍進行跳變時間的測量其實存在誤導作用，因為在很多情況下，上升和下降時間之和會等于或大于數據位的時間。因此，測量驅動器件的信號擺率就很重要。這可由測量給定電壓范圍上的跳變時間來得到，該電壓范圍涵蓋了器件輸入緩沖器的判決門限。
在20%到80%的電壓范圍上測量信號的跳變時間與確定驅動器件信號的跳變時間裕量的重要性不同。跳變時間可以在涵蓋器件輸入緩沖器判決門限的電壓范圍內定義并測量。此外，測試配置要確保被測信號不失真。測試設備的帶寬必須大于被測信號的三次諧波頻率以確保實際電氣性能的正確測試。10Gbps信號的三次諧波相當于15GHz。
選用的測試設備和電纜的zui小帶寬是20GHz。通訊分析儀示波器見圖3，是用來測量多路復用器輸出(10Gbps和622MHz)的電氣性能。電氣性能包括跳變時間、峰-峰幅度、眼開幅度(eye opening amplitude)及占空比。該示波器可用來進行粗略的抖動測量。遺憾的是，你無法控制測量示波器的帶寬。高速示波器測量的頻率成分從DC直流到20GHz，圖3所示，高亮部分測量結果為9.953280Gbps的多路信號輸出，以及信號搖擺為800mVp-p的31位PRBS模式(信號的zui小數據眼開幅度為600mVp-p)。該測量通過模式發生器的10GHz觸發信號來觸發HP83480A示波器。圖4為來自多路10Gbps數據輸出的7位PRBS輸出模式，該測量通過模式發生器產生的模式同步觸發信號來觸發HP83480A示波器，測量波形顯示了數據率為9.953280GHz時“1"和“0"形狀的好壞。
減少抖動的實例
在對OC-192/STM-64系統的設計進行測試時，影響測量結果的因素很多，包括抖動、交叉耦合/串擾、不恰當的端接阻抗、傳輸線失配、電纜屏蔽不良、頻響衰減及錯誤的時序等。下面給出若干例子及其解決方案。
例1：在用戶實驗室對仿真板測試時，由于測試設置問題，測得的抖動指標很差，其原因在于電源噪聲以及連接測試設備和仿真板之間的10Gbps信號電纜的頻響和屏蔽性能太差。抖動測量通過示波器完成。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，抖動性能得到改善并遠遠優于ITU規范的要求。
例2：由于在相位調零電路使用了劣質VCXO，仿真板測得的抖動指標很差，時域測得的抖動超過20ps p-p。將VCXO替換為具有優異相位噪聲響應的VCXO，通過HP83480A示波器測得的抖動降為10ps p-p。
例3：在測試一個包含10Gbps的CDR/多路信號分離器和多路復用器的用戶設計中，抖動性能的測量結果非常差。將仿真板放到同樣的測試設置中結果仍然很差，這說明測試設置過程有問題。zui后查明，向被測器件提供數據的模式發生器由不穩定的頻率信號源觸發，提供給模式發生器的10GHz時鐘沒有鎖定。將頻率信號源換成穩定的頻率合成器后，抖動性能達到設計要求。
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