适用于OC-192/STM-64高速产品设计的抖动测试技术
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设计工程师对10Gbps收发器的抖动性能和电器特性的解释和测量方法不尽相同，迄今为止，对测试和测量10Gbps数字通讯收发器进行定量描述的工业标准尚未确定，短期内也难以见到这种技术规范。GTRAN Inc.应用与开发工程经理John Pertessis长期从事无线和光纤通讯系统的设计和测试，他全面介绍了OC-192/STM-64产品设计过程中抖动指标的定义、测试方法和影响测试结果的因素以及降低抖动的解决方案。
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在测试OC-192/STM-64通讯应用系统的板级产品中，工程师面临许多挑战，比如测试10Gbps时抖动和电气特性等关键性能指标就很难。OC-192/STM-64产品的设计是否成功，取决于设计校验直到生产全过程所选用的测试方法。建立测试步骤的方法也同样重要。
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Bellcore及ITU定义的抖动参数与设备级光口有关，它不限于特定的元件性能。定义虽然很简单，但在元件级的抖动参数的评估可能会很困难。下面将介绍抖动容差、抖动转移、抖动生成的定义以及从10Gbps时钟数据恢复(CDR)、多路信号分离器及多路复用器器件测得的电气测试结果。
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; T: R. y. v/ M' `& p抖动定义
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/ _6 J! b! `2 o0 }4 i+ B0 v8 E5 L抖动容差定义为CDR器件出现误码时输入数据抖动的大小。特殊情况下，接收设备的抖动容差定义为出现1dB光衰减时正弦峰-峰相位调制度。当表征CDR元件的抖动容差时，要在输入信号中加入白噪声。通过调节输入信噪比(SNR)可测量CDR的输入灵敏度。例如，设置BER=10-9时的输入SNR，再向输入信号加2dB(电功率)，然后就能够确定恢复BER=10-9所要求的峰-峰值抖动振幅。测试过程中要采用31位伪随机二进制数据流(PRBS)模式。
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% r2 ]5 T5 x& t3 o7 R在OC-192的设计过程中，测量抖动转移函数也很重要。抖动转移函数定义为在给定频率处输出抖动与输入抖动的比值。输入正弦信号的抖动应与抖动容差模板所在频率上抖动容差的幅度一致，比如在400kHz频点时，输入正弦信号的抖动为1.5UIp-p(单位间隔点-点)；在4MHz频点时，输入正弦信号的抖动为0.15UIp-p。采用31位PRBS模式测试时，输入SNR电平要比输入灵敏度极限高2dB(电功率)。
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在抖动转移函数中有两个重要参数：抖动增益(或抖动峰值)和抖动转移带宽。在输入到输出包含若干锁相环通路的系统中，对CDR电路和时钟发生器的输出器件来说，只有抖动增益是重要的。整个抖动转移带宽由低带宽环路控制，典型情况下采用电压控制晶体振荡器(VCXO)。
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当CDR是系统中唯一的时钟发生单元时，抖动转移带宽与抖动容差必须符合ITU-T规范。抖动产生是另一个重要的参数。抖动产生定义为在元件输出端抖动的大小，它是评估传输系统元件时钟发生器输出的最佳参数。时钟发生器可以是一个独立器件、多路复用器的一个有机部分或在单PLL时钟重分配器中的CDR时钟输出。测量过程需要一个时钟输出或一个理想的CDR，其作用是在给定频率范围内用定义良好的抖动转移特性来恢复输出数据信号。通过在给定频率范围内对整个相位噪声谱分量取积分运算可以获得抖动产生的峰-峰值，通过对平方相位噪声振幅谱的积分取平方根可以得到抖动产生的RMS值。
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* F! Q9 c" m' y( Z9 T) a. }图1所示为10Gbps多路复用器的数据输出。在ITU规定的频率范围50kHz到80MHz上，测到的抖动产生为0.034UIp-p。
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其他测量技术
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测量抖动的方法很多，可在频域也可以在时域测量。测量结果可能因所采用的测量技术的差异而不同。频域测量要在指定的频率范围内完成，时域测量一般要覆盖非常大的带宽(从DC到20GHz)。使用频谱分析仪或抖动分析仪可以有效地测量随机抖动。由传输线失配引起的反射造成的确定性抖动会形成电压驻波比(VSWR)和非线形相位响应，进而导致码间干扰(ISI)。确定性抖动在频域将很难定量测量，但是采用示波器在时域测量就容易得多。
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时域测量能获得抖动分量呈现随机和确定特性的信号的抖动峰-峰值。时域测量的唯一的缺点是带宽要求很大，而SONET/ITU抖动性能是针对指定频率范围规定的。抖动产生及其测量方法由GR-1377-CORE规范中“元件和网络接口电平”部分规定。
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- J/ o& _* i4 M$ l- f8 T规范的5.6.2.3节规定，在任意规定的测量时间间隔内，从50kHz到80MHz频率范围内的元件级抖动产生定义为0.1UIp-p。这表明抖动测量更适合在频域上而不是通过示波器在时域上完成。
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规范的5.6.1节规定，在1分钟时间间隔内，从10kHz到80MHz频率范围内，网络接口抖动不应超过1.5UI p-p；从4MHz到80MHz频率范围内，网络接口抖动不应超过0.15UIp-p。这个要求是在网络级规定的，且因为规定了测量时间间隔，所以网络接口抖动可在时域测量。如果要在时域进行测量，必须通过带通滤波器来限制测量带宽。要尽可能利用商业抖动分析测试设备进行用户设置。OC-192/STM-64抖动性能测量的专用测量配置应包括：配有独特的放大器的一台频谱分析仪、RF Summers及专用软件(用来配置设备和在给定的带宽上将实际频谱测量结果转换为峰-峰值和RMS抖动值)。
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专用抖动测量系统设置与商用测量设备的设置如图2所示。工程师要做的工作是用抖动分析仪、专用VCO以及具有10Gbps模式发生器的抖动/调制信号源取代频谱分析仪。模式发生器应该产生至少80MHz调制带宽的信号。测量抖动最关键因素是触发器的品质和测试设备的精度。商用测试仪器的抖动精度大约为1ps p-p。优良品质的触发脉冲是示波器或抖动分析仪工作的必要条件。
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可靠的触发
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4 z& A- }2 Y0 E d为了得到可靠的触发，最好使用能够产生低相位噪声的10Gbps正弦信号来同步10Gbps数据信号的频率合成器。由频率合成器触发的PRBS发生器也可提供良好的10GHz触发脉冲，例如Agilent(安捷伦)公司的HP71612A或Anritsu公司的MP1763B。对时域测量，示波器应有10GHz的触发输入，例如Tektronix公司的CSA803或安捷伦的HP83480。
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抖动分析仪在频域测量抖动，它也需要同步时钟，因为现有的测试设备无法仅从数据恢复时钟。当测试配备多路器的收发器时，由于该器件不提供与数据同时传输的全速时钟，因此必须产生一个10GHz的时钟信号。抖动分析仪用时钟信号同步输入数据，所以时钟上的任何相位噪声都将影响抖动测试结果。当然，如果选用频谱分析仪的话，就不需要触发信号。用频谱分析仪测量抖动的缺点在于10Gbps时只有1010...模式可资利用。当使用频谱分析仪测量抖动时，随机数据模式会产生错误的测量结果，因为随机数据模式在数据信号的最大时钟速率附近产生的能量具备SINC函数特性。如果试图在频域进行测量，数据信号的抖动可能被该能量掩盖。
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稳定温度的措施
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当测量10Gbps PHY器件的抖动性能时，被测器件(DUT)的温度稳定性很重要。接通电源后，象CDR、多路信号分离器、多路复用器、互阻放大器、限幅放大器以及激光二极管驱动器等器件的温度会快速升高。相位响应变化表明，当器件温度波动时，整个器件的信号传输延迟变化很快。
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+ W, ~6 l+ v: d% S在实验室环境，工程师至少需要30分钟的温度稳定时间。与上电过程中温度的快速变化相比，实际环境中器件的温度不会变化得太快。正常工作过程中，温度变化会造成器件数据流量的延迟随时间漂移。GR-1377-CORE 规范5.6节明确了随时间缓慢变化的稳变温度的极限。在实验室环境，有必要在几个固定温度点进行测量。快变温度条件下，不一定要测试。
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/ W& b9 e5 x9 [1 U信号跳变时间测量
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信号跳变时间可以用正常触发被驱动器件输入缓冲器的触发电压范围来衡量,它不应超过给定触发电压范围的10%到90%或20%到80%。
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8 J: {/ v9 Y0 A( d. z在传输环境和终端负载失配情况下，信号波形将出现过冲和反冲，对该信号波形的指定电压范围进行跳变时间的测量其实存在误导作用，因为在很多情况下，上升和下降时间之和会等于或大于数据位的时间。因此，测量驱动器件的信号摆率就很重要。这可由测量给定电压范围上的跳变时间来得到，该电压范围涵盖了器件输入缓冲器的判决门限。
. N& W" ~5 ^( v; H/ ]: S8 D+ l
, Z" P+ x9 @2 x+ f0 ?在20%到80%的电压范围上测量信号的跳变时间与确定驱动器件信号的跳变时间裕量的重要性不同。跳变时间可以在涵盖器件输入缓冲器判决门限的电压范围内定义并测量。此外，测试配置要确保被测信号不失真。测试设备的带宽必须大于被测信号的三次谐波频率以确保实际电气性能的正确测试。10Gbps信号的三次谐波相当于15GHz。
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. C. {7 L. O# K3 S4 R选用的测试设备和电缆的最小带宽是20GHz。通讯分析仪示波器见图3，是用来测量多路复用器输出(10Gbps和622MHz)的电气性能。电气性能包括跳变时间、峰-峰幅度、眼开幅度(eye opening amplitude)及占空比。该示波器可用来进行粗略的抖动测量。遗憾的是，你无法控制测量示波器的带宽。高速示波器测量的频率成分从DC直流到20GHz，图3所示，高亮部分测量结果为9.953280Gbps的多路信号输出，以及信号摇摆为800mVp-p的31位PRBS模式(信号的最小数据眼开幅度为600mVp-p)。该测量通过模式发生器的10GHz触发信号来触发HP83480A示波器。图4为来自多路10Gbps数据输出的7位PRBS输出模式，该测量通过模式发生器产生的模式同步触发信号来触发HP83480A示波器，测量波形显示了数据率为9.953280GHz时“1”和“0”形状的好坏。
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0 V0 u+ o& L7 p' P$ ^& \+ x减少抖动的实例
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# [" S+ h( e1 d( c+ O; ^在对OC-192/STM-64系统的设计进行测试时，影响测量结果的因素很多，包括抖动、交叉耦合/串扰、不恰当的端接阻抗、传输线失配、电缆屏蔽不良、频响衰减及错误的时序等。下面给出若干例子及其解决方案。
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5 `1 I0 z4 s& y! f. I m例1：在用户实验室对仿真板测试时，由于测试设置问题，测得的抖动指标很差，其原因在于电源噪声以及连接测试设备和仿真板之间的10Gbps信号电缆的频响和屏蔽性能太差。抖动测量通过示波器完成。更换为低噪声的电源和具有K接头和20GHz频响的良好屏蔽电缆之后，抖动性能得到改善并远远优于ITU规范的要求。
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/ V# w% G5 s' p8 T% W例2：由于在相位调零电路使用了劣质VCXO，仿真板测得的抖动指标很差，时域测得的抖动超过20ps p-p。将VCXO替换为具有优异相位噪声响应的VCXO，通过HP83480A示波器测得的抖动降为10ps p-p。
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7 Q7 \8 c. i" z* _6 z例3：在测试一个包含10Gbps的CDR/多路信号分离器和多路复用器的用户设计中，抖动性能的测量结果非常差。将仿真板放到同样的测试设置中结果仍然很差，这说明测试设置过程有问题。最后查明，向被测器件提供数据的模式发生器由不稳定的频率信号源触发，提供给模式发生器的10GHz时钟没有锁定。将频率信号源换成稳定的频率合成器后，抖动性能达到设计要求。
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来源：Communication Systems Design
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作者John Pertessis是GTRAN Inc.应用与开发工程经理，长期从事无线和光纤通讯系统设计。他拥有Brooklyn 理工大学电子工程学士学位和南加州大学电子工程硕士学位。Email: jp@gtran.com。
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发表于 2010-7-21 15:39
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发表于 2014-12-9 13:59
