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1、利用频域时钟抖动分析加快设计验证过程安捷伦科技AkihikoOginuma2007年6月简介随着数据速率的提高，时钟抖动分析的需求也在与日俱增。在高速串行数据链路中，时钟抖动会影响发射机、传输线和接收机的数据抖动。保证时钟质量的测量也在不断发展。目前的重点是针对比特误码率，在时钟性能和系统性能之间建立直接联系。我们将探讨参考时钟的作用和时钟抖动对数据抖动的影响，并讨论在E5052B信号源分析仪（SSA）上运行的AgilentE5001A精确时钟抖动分析应用软件所配备的全新测量技术。该应用软件提供了前所未有的强大

2、能力，可以对随机抖动（RJ）和周期抖动（PJ）分量超低RJ测量和实时抖动频谱分析，使您能够提高设计质量。我们还将对新解决方案的实时测量功能进行讨论，这一功能能够加快设计验证过程。参考时钟在高速串行应用中的作用图1是参考时钟的主要分量。发射机通常将一组速率较低的并行信号转换成串行数据流。信号经过一条包括多个背板和电缆的传输通道进行传送。接收机通常会解释输入的串行数据，从中分离出时钟，再把串行数据重新转换成并行数据流。在许多诸如此类的说明中，参考时钟更多地被视为一种分量但不是主要分量，而在高速串行数据系统中，我们必

3、须承认参考时钟是一种主要分量。通常，参考时钟的振荡速率远远低于数据速率，但它会在发射机中成倍增长。发射机使用参考时钟来确定串行数据流中的逻辑变换定时。发射的数据中包括参考时钟的特征。在接收机中可能会出现两种不同的情况。如果未分配参考时钟，则接收机会利用锁相环（PLL）从数据流中还原时钟――并利用该时钟定位采样时间点。如果已分配参考时钟，则接收机会同时使用数据信号和参考时钟来定位采样点。图1.参考时钟的作用时钟抖动对发射机数据抖动的影响参考时钟是最终的系统定时源。它为发射机、已分配和未分配的时钟系统提供时基，而接

4、收机的时钟恢复电路可以重现参考时钟特征。现在我们将探讨时钟抖动如何在系统发射机中进行传输。发射机必须用适当的因数乘以参考时钟获得数据速率，才能确定逻辑变换定时。例如，对于100MHz参考时钟和5Gb/s输出信号，发射机将用PLL给参考时钟乘以因数50。PLL乘法器不仅放大时钟抖动，还引入其自身的抖动，主要是PLL压控振荡器（VCO）的RJ。频率乘以因数n的结果是相位噪声功率载波比乘以n2，所以抖动迅速变大。图2.发射机时钟抖动的结果发射机中的PLL乘法器具有一定的频率响应，通常是如图3所示的二阶响应。非均匀频率

5、响应会产生一个值得注意的问题：时钟抖动实际上有什么影响？如果PLL非常出色且带宽为零，那么它将过滤掉所有的时钟抖动，而为发射机提供无抖动时基。当然，零带宽意味着无限锁定时间，所以我们不得不综合考虑，但是PLL带宽越窄，参考时钟加入数据中的抖动就越小。确定时钟是否能在系统中正常工作且符合预期的BER要求，需要对抖动频谱进行详细测试。图3.PLL频率响应真实的抖动源如果观察实际环境中的高速数字电路，您会发现许多抖动源，如图4所示。跟我们前面讨论的一样，时钟信号通常分配给多个IC，时钟频率可能进行乘法和/或除法运算。

6、假设来自晶体振荡器的参考时钟具有较低的抖动，因为IC带来的附加噪声或其他设备产生的干扰，所以经过乘法或除法运算的输出时钟也可能不是非常干净。一个主要污染源就是开关电源的噪声。开关频率一般为100kHz到1MHz。开关电源噪声可能会注入时钟信号线路，它在左下图中显示为PJ。其他周期抖动分量的来源可能是数据或时钟线路的干扰，经互调后可能位于时钟线上，也显示为PJ分量。只要PJ分量表现的远离时钟频率，它就极有可能插入带通滤波器（或低通滤波器）来消除这些抖动。然而，问题是周期抖动在什么时间接近时钟频率，因为高频高Q滤波

7、器很难得到。参考时钟的RJ也一样，时钟除法器可能添加宽带噪声，这可能会使输出时钟信号的RJ增加。要诊断各种问题，设计人员必须表征有关电路物理布局和/或工作环境下的时钟抖动。图4.实际环境中的抖动源通过相位噪声测量技术表征时钟抖动全面分析时钟信号要求达到飞秒级精度，只有相位噪声测量技术才能达到这种精度。相位噪声分析提供两种主要测量：Sj（fj）和j（t），它们根据相位噪声测量带宽限制收集时钟的所有相位信息。在相位噪声分析仪上分析RJ可以完成两个重要目标。首先，通过集成RJ频谱，可以提取预定带宽中的相应RJ高斯分布

8、宽度。其次，通过分析Sj（fj）的幂级数行为确定RJ的主要原因。（图5）在相位噪声频谱中可以看到PJ分量的杂散。所以PJ频率知识对于诊断问题非常有帮助。参考每个PJ频率的PJrms也能帮您了解每个PJ分量对总体时钟抖动的影响，查看去除主要PJ分量之后总体抖动的变化。（图6）图5.分析相位噪声测量的RJ图6.相位噪声测量的PJ频率通过先进的体系结构进行实时抖动测量与传统的抖动测量模式不同