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(chǎn)品設(shè)計的抖動測試技術(shù)
設(shè)計工程師對10Gbps收發(fā)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(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)也難以見到這種技術(shù)規(guī)范。

83480A安捷倫Agilent/信號發(fā)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(chǎn)品設(shè)計的抖動測試技術(shù)

設(shè)計工程師對10Gbps收發(fā)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(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)也難以見到這種技術(shù)規(guī)范。GTRAN Inc.應(yīng)用與開發(fā)工程John Pertessis長期從事無線和光纖通訊系統(tǒng)的設(shè)計和測試，他全面介紹了OC-192/STM-64產(chǎn)品設(shè)計過程中抖動指標(biāo)的定義、測試方法和影響測試結(jié)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(yīng)用系統(tǒng)的板級產(chǎn)品中，工程師面臨許多挑戰(zhàn)，比如測試10Gbps時抖動和電氣特性等關(guān)鍵性能指標(biāo)就很難。OC-192/STM-64產(chǎn)品的設(shè)計是否成功，取決于設(shè)計校驗直到生產(chǎn)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(shù)與設(shè)備級光口有關(guān)，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(shù)的評估可能會很困難。下面將介紹抖動容差、抖動轉(zhuǎn)移、抖動生成的定義以及從10Gbps時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)、多路信號分離器及多路復(fù)用器器件測得的電氣測試結(jié)果。

抖動定義

抖動容差定義為CDR器件出現(xiàn)誤碼時輸入數(shù)據(jù)抖動的大小。特殊情況下，接收設(shè)備的抖動容差定義為出現(xiàn)1dB光衰減時正弦峰-峰相位調(diào)制度。當(dāng)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(diào)節(jié)輸入信噪比(SNR)可測量CDR的輸入靈敏度。例如，設(shè)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(fù)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(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)流(PRBS)模式。

在OC-192的設(shè)計過程中，測量抖動轉(zhuǎn)移函數(shù)也很重要。抖動轉(zhuǎn)移函數(shù)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(yīng)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(zhuǎn)移函數(shù)中有兩個重要參數(shù)：抖動增益(或抖動峰值)和抖動轉(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CDR電路和時鐘發(fā)生器的輸出器件來說，只有抖動增益是重要的。整個抖動轉(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*的時鐘發(fā)生單元時，抖動轉(zhuǎn)移帶寬與抖動容差必須符合ITU-T規(guī)范。抖動產(chǎn)生是另一個重要的參數(shù)。抖動產(chǎn)生定義為在元件輸出端抖動的大小，它是評估傳輸系統(tǒng)元件時鐘發(fā)生器輸出的*參數(shù)。時鐘發(fā)生器可以是一個獨立器件、多路復(fù)用器的一個有機(jī)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(nèi)用定義良好的抖動轉(zhuǎn)移特性來恢復(fù)輸出數(shù)據(jù)信號。通過在給定頻率范圍內(nèi)對整個相位噪聲譜分量取積分運算可以獲得抖動產(chǎn)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(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，測到的抖動產(chǎn)生為0.034UIp-p。

其他測量技術(shù)

測量抖動的方法很多，可在頻域也可以在時域測量。測量結(jié)果可能因所采用的測量技術(shù)的差異而不同。頻域測量要在的頻率范圍內(nèi)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(jī)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(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致碼間干擾(ISI)。確定性抖動在頻域?qū)⒑茈y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(xiàn)隨機(jī)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(guī)定的。抖動產(chǎn)生及其測量方法由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)定的測量時間間隔內(nèi)，從50kHz到80MHz頻率范圍內(nèi)的元件級抖動產(chǎn)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(guī)范的5.6.1節(jié)規(guī)定，在1分鐘時間間隔內(nèi)，從10kHz到80MHz頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)接口抖動不應(yīng)超過1.5UI p-p；從4MHz到80MHz頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)接口抖動不應(yīng)超過0.15UIp-p。這個要求是在網(wǎng)絡(luò)級規(guī)定的，且因為規(guī)定了測量時間間隔，所以網(wǎng)絡(luò)接口抖動可在時域測量。如果要在時域進(jìn)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(yè)抖動分析測試設(shè)備進(jìn)行用戶設(shè)置。OC-192/STM-64抖動性能測量的測量配置應(yīng)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(shè)備和在給定的帶寬上將實際頻譜測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為峰-峰值和RMS抖動值)。

抖動測量系統(tǒng)設(shè)置與商用測量設(shè)備的設(shè)置如圖2所示。工程師要做的工作是用抖動分析儀、VCO以及具有10Gbps模式發(fā)生器的抖動/調(diào)制信號源取代頻譜分析儀。模式發(fā)生器應(yīng)該產(chǎn)生至少80MHz調(diào)制帶寬的信號。測量抖動zui關(guān)鍵因素是觸發(fā)器的品質(zhì)和測試設(shè)備的精度。商用測試儀器的抖動精度大約為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正弦信號來同步10Gbps數(shù)據(jù)信號的頻率合成器。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。對時域測量，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。

抖動分析儀在頻域測量抖動，它也需要同步時鐘，因為現(xiàn)有的測試設(shè)備無法僅從數(shù)據(jù)恢復(fù)時鐘。當(dāng)測試配備多路器的收發(fā)器時，由于該器件不提供與數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)娜贂r鐘，因此必須產(chǎn)生一個10GHz的時鐘信號。抖動分析儀用時鐘信號同步輸入數(shù)據(jù)，所以時鐘上的任何相位噪聲都將影響抖動測試結(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。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(dāng)使用頻譜分析儀測量抖動時，隨機(jī)數(shù)據(jù)模式會產(chǎn)生錯誤的測量結(jié)果，因為隨機(jī)數(shù)據(jù)模式在數(shù)據(jù)信號的zui大時鐘速率附近產(chǎn)生的能量具備SINC函數(shù)特性。如果試圖在頻域進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)信號的抖動可能被該能量掩蓋。
穩(wěn)定溫度的措施

當(dāng)測量10Gbps PHY器件的抖動性能時，被測器件(DUT)的溫度穩(wěn)定性很重要。接通電源后，象CDR、多路信號分離器、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)動器等器件的溫度會快速升高。相位響應(yīng)變化表明，當(dāng)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(huán)境，工程師至少需要30分鐘的溫度穩(wěn)定時間。與上電過程中溫度的快速變化相比，實際環(huán)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(shù)據(jù)流量的延遲隨時間漂移。GR-1377-CORE 規(guī)范5.6節(jié)明確了隨時間緩慢變化的穩(wěn)變溫度的極限。在實驗室環(huán)境，有必要在幾個固定溫度點進(jìn)行測量?？熳儨囟葪l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(fā)被驅(qū)動器件輸入緩沖器的觸發(fā)電壓范圍來衡量,它不應(yīng)超過給定觸發(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，信號波形將出現(xiàn)過沖和反沖，對該信號波形的電壓范圍進(jìn)行跳變時間的測量其實存在誤導(dǎo)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(shù)據(jù)位的時間。因此，測量驅(qū)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(qū)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(nèi)定義并測量。此外，測試配置要確保被測信號不失真。測試設(shè)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(dāng)于15GHz。

選用的測試設(shè)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(fù)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(jìn)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(jié)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(shù)據(jù)眼開幅度為600mVp-p)。該測量通過模式發(fā)生器的10GHz觸發(fā)信號來觸發(fā)HP83480A示波器。圖4為來自多路10Gbps數(shù)據(jù)輸出的7位PRBS輸出模式，該測量通過模式發(fā)生器產(chǎn)生的模式同步觸發(fā)信號來觸發(fā)HP83480A示波器，測量波形顯示了數(shù)據(jù)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(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行測試時，影響測量結(jié)果的因素很多，包括抖動、交叉耦合/串?dāng)_、不恰當(dāng)?shù)亩私幼杩?、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(shè)置問題，測得的抖動指標(biāo)很差，其原因在于電源噪聲以及連接測試設(shè)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(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，仿真板測得的抖動指標(biāo)很差，時域測得的抖動超過20ps p-p。將VCXO替換為具有優(yōu)異相位噪聲響應(yīng)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(fù)用器的用戶設(shè)計中，抖動性能的測量結(jié)果非常差。將仿真板放到同樣的測試設(shè)置中結(jié)果仍然很差，這說明測試設(shè)置過程有問題。zui后查明，向被測器件提供數(shù)據(jù)的模式發(fā)生器由不穩(wěn)定的頻率信號源觸發(fā)，提供給模式發(fā)生器的10GHz時鐘沒有鎖定。將頻率信號源換成穩(wěn)定的頻率合成器后，抖動性能達(dá)到設(shè)計要求。