PLL带宽对高速串行数据眼图测试结果的影响
PLL带宽对抖动的影响
PLL带宽对高速串行数据眼图测试结果的影响摘要:在今天的崭新的数字世界中，高速串行数据传输应用日益普遍。
眼图(Eye Diagram)分析是高速串行数据分析的重要手段之一。
本文就设置不同的串行数据时钟恢复带宽对眼图测试结果的影响做一些简单的分析。
关键词:CDR(时钟恢复),PLL(锁相环), Eye Diagram(眼图)，Jitter(抖动)，TIE Jitter(时间间隔误差抖动)，PCI-Express，SATA.0.引言在今天的高速数据传输系统中，串行数据传输正日益普遍,比如PCI-Express, XAUI,SATA等。
串行数据传输有两个主要特点：一，广泛采用差分信号进行数据传输。
二，没有专门的时钟传输线路，时钟嵌入在数据里。
因此，在系统接收端内部需要时钟恢复电路。
接收端时钟恢复方法最常用的是锁相环Phase Locked Loop(PLL)和Phase Interpolator(PI)两种方法。
图1 典型计算机系统总线架构示意图相对而言，PLL方法应用更为广泛。
下图为一种典型的基于锁相环PLL(Phase Locked Loop,简称PLL)的时钟恢复电路框图:图2 串行数据时钟恢复电路框图1.CDR 与PLL 简介锁相环PLL 的作用简单的来说是产生一个内部信号,去锁住输入信号的相位.谈两个信号的相位的前提条件是两个信号的频率一样,这样才有意义。
因此锁相环也是锁频回路.假定一固定频率信号:输入PLL ，PLL 输出信号:由上述结论得到:但相位是否相等呢？答案是否定的.正确结果是两个是两个信号的相位差是一个定值,其值和起始频率差有关.所以有了第二个重要概念：“锁相不是指相位相同,而是相位差是定值”. 锁相环PLL 的组成如下图所示: VCOLPFx(t)y(t)PD图3 PLL 功能块示意图VCO:：压控振荡器LPF ：环路滤波器PD ：鉴相器 鉴相器将输入信号与VCO 输出信号进行对比。
集成电路测试中的高速串行接口测试方法
集成电路测试中的高速串行接口测试方法高速串行接口测试方法在集成电路测试中起到非常重要的作用。
高速串行接口是现代集成电路中广泛使用的一种通信方式，其在数据传输速率和通信距离方面具有明显优势，适用于高速数据传输和远距离通信。
为确保高速串行接口的稳定性和可靠性，需要对其进行全面的测试。
以下将介绍几种常用的高速串行接口测试方法。
一、物理层测试方法物理层测试主要是对高速串行接口的物理连接进行测试。
该测试方法主要包括以下几个方面的内容：1. 信号完整性测试：通过检测信号的波形和电平，确保信号在传输过程中没有发生失真和干扰。
常用的测试手段包括时钟和数据眼图测试、时钟抖动和噪声测试等。
2. 差分信号测试：对差分信号的幅度、延迟和相位进行测试，以保证差分信号的正常传输。
常用的测试方法包括查找表测试、时序测量和匹配测试等。
3. 传输线测试：通过对传输线的阻抗匹配、衰减和时延进行测试，确保传输线的质量和传输速率。
常用的测试手段包括衰减测试、传输线模型测试和传输线延时测试等。
二、协议层测试方法协议层测试主要是对高速串行接口的通信协议进行测试。
该测试方法主要包括以下几个方面的内容：1. 通信协议测试：对通信协议的正确性和稳定性进行测试，以保证数据能够正确地传输和解析。
常用的测试手段包括数据包验证、错误恢复和流控制测试等。
2. 时序调整测试：对时钟的校准和时序的调整进行测试，以确保时序的准确性和稳定性。
常用的测试方法包括时钟同步测试、时序校准和时序复位测试等。
3. 错误检测与纠正测试：对错误检测和纠正机制进行测试，以保证数据的可靠性和完整性。
常用的测试手段包括CRC校验测试、差错码测试和纠错算法测试等。
三、性能测试方法性能测试主要是对高速串行接口的数据传输性能进行测试。
该测试方法主要包括以下几个方面的内容：1. 传输速率测试：对传输速率进行测试，以确保高速串行接口能够达到设计要求的数据传输速率。
常用的测试手段包括比特错误率测试、吞吐量测试和带宽测试等。
通过眼图和BER测试分析高速串行链路的信号质量(完整版)
通过眼图和BER测试分析高速串行链路的信号质量作者：zeeshawn shameem MAXIN应用工程师无论是连接客户端路由器的千兆以太网接口，还是输出到显示器的低电压差分高清视频信号，在高速串行链路上获得无误码数据是一个巨大挑战。
从用户角度看，衡量数字通信系统的基本指标是误码率（BER），它从统计学角度提供了一个评估整体系统失真度的指标，但有效的BER测试非常复杂，是一件成本极其高昂的工作。
BER测试对于用户很有用，但对工程师查找出错原因毫无帮助。
眼图对于数字通信/网络工程师而言已经成为不可或缺的工具，特别是在数字示波器商用化以后。
眼图相对于BER测试的显著优势是能够发现问题的根源并进行改善。
眼图测试早期使用模拟示波器时，工程师利用不同的输入信号描述抖动变化。
目前的数字示波器增加了附加功能可完成这一测试。
Tektronix的CSA8000可以设置采样时间长度，产生时间抖动和幅度变化的直方图，列出每个参数的统计数据，如均值、中值和方差。
简而言之，它能提供足够的数据估算BER，CSA8000提供的规一化统计数据为高斯函数。
对于没有时序抖动的通道来说，每个间隔采样值的跳变点发生在同一时刻。
但是，由于存在抖动，跳变点会发生变化（图1）。
抖动包括随机性抖动（RJ）和确定性抖动（DJ）。
随机性抖动没有限制，可以用高斯随机变量描述。
产生确定性抖动的原因有很多，而且是有限的。
图1直方图是对总体抖动（TJ）的测量，它是随机性抖动和确定性抖动之和（TJ = RJ + DJ）。
可以采用不同技术分离抖动的随机成分，也可以部分地估算BER。
估算BER时要考虑随机抖动和确定抖动。
但是，利用眼图无法达到BER的测试精度，不能完全取代B ER测试。
利用眼图估计BER张开的眼图说明数据失码率较低，系统运行正常。
所以，理想眼图每次触发的采样值的跳变点发生在同一时刻。
功能上，可以用理想的脉冲描述这些要求（图2）。
随机抖动会导致跳变点随时间变化，可以用随机变量表示。
时钟恢复模块的锁相环
时钟恢复模块的锁相环（PLL）带宽
时钟恢复模块的锁相环（PLL）带宽决定着输入数据中有多少抖动可以传输到恢复的时钟内。
PLL带宽越宽传输到恢复时钟内的抖动就越多，从而会减少眼图中显示的抖动量。
这是因为用以触发测量的时钟信号会跟踪数据信号中显示的抖动。
较窄的PLL带宽会使时钟信号更加干净，产生的眼图也将更精确地显示出输入数据中真实的抖动情况。
在测量眼图时，PLL带宽可以成为有效的高通滤波器。
在进行眼图测量时使用正确的PLL带宽非常重要。
各种测量标准都规定了PLL需要的确切带宽。
下表中简要列举了这些标准。
安捷伦提供了83496A CDR模块，可在50 Mbit/sec至13.5 Gbit/sec间的任何数据速率条件下恢复时钟。
仪器测量带宽对测试结果的影响
仪器测量带宽对测试结果的影响工程师们在调试的过程中，会经常发现，同一个信号用不同的设备测试，结果往往会有些差别。
到底哪一个结果才是准确的？我们要科学的选用设备进行测试，不要被错误的结果“蒙骗”了。
不同的测试设备都有典型的应用场合和测量范围，之所以会出现测量结果不一致的情况，往往和测试设备本身的参数特性有关系，其中很关键的一个指标就是仪器的带宽。
带宽不同的仪器，哪怕测试相同的信号，测试结果往往也都不同。
首先我们来看看仪器测量带宽是什么。
仪器的测量带宽简单而言就是仪器能够测试的频率范围，我们将信号幅值衰减到-3dB的频率点称为带宽截止频率点，即在输入某一频率正弦波，测量到的幅度衰减为实际幅度的70.7%时，该频率点称为带宽，如下图所示。
不同测量仪器，其带宽都不相同。
原因有很多，有些是产品应用和测试对象决定的，比如某些测试应用，用不到很高的带宽，或者信号频率比较固定，测试也有对应的标准，如我们常见的电能质量分析仪，其主要针对电网信号做测量，而电网的信号频率就是50Hz/60Hz，因此专用的电能质量分析仪的带宽往往也在这个范围。
又比如示波器，示波器的带宽往往非常大，市场上常用的带宽一般有200MHz、350MHz、500MHz，高频应用还会用到1GHz以上的带宽。
因为示波器常用来捕获时间很快的信号，并且要求能完整的还原波形形状，所以带宽必须很高才能实现功能。
还有一些仪器是因为产品定位不同或者本身的技术瓶颈问题，带宽也各有差异。
如功率分析仪、功率计、电参数表等。
功率分析仪作为高端测量仪器，一般为高精度高带宽，带宽可以到2MHz甚至5MHz；功率计更多用于产品的检测和生产测试，所以带宽会相对低一些，一般在100KHz~500KHz；而电参数表多数用于低端应用产品，带宽一般不超过50KHz。
带宽的不同对测试结果而言到底有什么样的影响呢？下面我们看一个实际测试案例，在某LED测试现场，用两台带宽不同的功率计测试LED驱动的输入（市电工频50Hz）电参数，包括电压、电流、功率、功率因数等，测试结果如下图所示：从图中可以看到，两台设备测试的电压、有功功率基本一致，但是功率因素确相差很大。
信号完整性系列之十七—— 基于误码率的眼图测试,ISOBER
常规的眼图测量眼图测试是高速串行信号物理层测试的一个重要项目。
眼图是由多个比特的波形叠加后的图形，从眼图中可以看到：数字信号1电平、0电平，信号是否存在过冲、振铃？抖动是否很大？眼图的信噪比？上升下降时间是否对称（占空比）？眼图反映了大数据量时的信号质量，可以最直观的描述高速数字信号的质量与性能。
如图1所示为某1.25G信号的眼图。
可以看到该信号的抖动较大。
另外，在很多高速数字信号的标准中，定义了不同测量点的眼图模板。
图1的深蓝色部分是眼图模板，测量到的眼图不能触碰到该模板。
在实时示波器中，通常使用连续比特位的眼图生成方法。
力科于2002年在业界最早采用连续比特位的眼图测试方法。
首先，示波器采集到一长串连续的数据波形；然后，使用软件CDR恢复时钟，用恢复的时钟切割每个比特的波形，从第1个、第2个、第3个、一直到第n-1个、第n个比特；最后一步是把所有比特重叠，得到眼图。
什么是BER?在数字电路系统中，发送端发送出多个比特的数据，由于多种因素的影响，接收端可能会接收到一些错误的比特（即误码）。
错误的比特数与总的比特数之比称为误码率，即Bit Error Ratio，简称BER。
误码率是描述数字电路系统性能的最重要的参数。
在GHz比特率的通信电路系统中（比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求BER小于或等于。
BER= 指的是发送/接收了10 个比特，只允许1个比特出错。
误码率较大时，通信系统的效率低、性能不稳定。
影响误码率的因素包括抖动、噪声、信道的损耗、信号的比特率等等。
基于误码率的眼图轮廓测试（BER Eye Contour）－力科称为ISOBER在上文中提到眼图是多个比特位的信号叠加得到的测量结果，所以测试中需要注意眼图是由多少个比特组成的？使用常规的实时示波器来测量高速串行信号的眼图，在几秒钟内可以生成1万个比特叠加的眼图。
力科示波器使用了创新的XStream II专利技术，可以快速的生成眼图，以SDA816Zi测量3.125Gbps的XAUI信号为例，大概几秒就可以得到上百万个比特的眼图。
眼图测试报告
眼图测试报告
尊敬的客户：
我们非常荣幸地向您呈上眼图测试报告，本报告的内容将会汇总测试的结果并进行简要说明。
第一，测试环境及方法
我们采用了一款先进的仪器，在专业测试环境下进行测试。
测试方法主要分为两种，分别为时域分析和频域分析。
第二，测试数据分析
测试数据经过分析，我们得到了以下结论：
（1）输入信号幅度对输出信号有影响。
（2）输入信号频率对输出信号有一定的影响。
（3）信号时延对输出信号有影响。
（4）眼图的高清晰度可以显著提高数据的准确性。
第三，测试结果
通过测试，我们得到以下结论：
（1）在保持信号水平不变的情况下，增大信号并不一定能提高传输质量。
（2）随着频率的增加，信号的传输质量逐渐降低。
（3）信号时延的增加会降低信号的传输质量，并且会导致误码率的增加。
（4）在测试过程中，我们发现高清晰度的眼图可以大大提高数据的准确性和可靠性。
综上所述，本次测试结果表明，信号水平、频率和时延都会对
数据传输的质量产生影响，而高质量的眼图是保证数据准确性的
重要因素之一。
最后，感谢您阅读本篇报告，如果在处理和解读上有任何疑问，请随时联系我们的专业技术团队。
真诚的祝福！
XXX公司技术团队。
示波器基础系列之二-示波器的采样率和存储深度(2)
存储、存储深度把经过A/D数字化后的八位二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS存储器中，就是示波器的存储，这个过程是“写过程”。
存储器的容量（存储深度）是很重要的。
对于DSO，其最大存储深度是一定的，但是在实际测试中所使用的存储长度却是可变的。
在存储深度一定的情况下，存储速度越快，存储时间就越短，他们之间是一个反比关系。
存储速度等效于采样率，存储时间等效于采样时间，采样时间由示波器的显示窗口所代表的时间决定，所以：存储深度＝采样率×采样时间（距离= 速度×时间）力科示波器的时基（Time Base）标签即直观的显示了这三者之间的关系，如图9所示由于DSO的水平刻度分为10格，每格的所代表的时间长度即为时基（time base）,单位是t/div,所以采样时间＝time base ×10.DSO的水平刻度分为10格，每格的所代表的时间长度即为时基（time base）,单位是t/div,所以采样时间＝time base ×10.由以上关系式我们知道，提高示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率：当要测量较长时间的波形时，由于存储深度是固定的，所以只能降低采样率来达到，但这样势必造成波形质量的下降；如果增大存储深度，则可以以更高的采样率来测量，以获取不失真的波形。
图10的曲线充分揭示了采样率、存储深度、采样时间三者的关系及存储深度对示波器实际采样率的影响。
比如，当时基选择10us/div档位时，整个示波器窗口的采样时间是10us/div * 10格=100us，在1Mpts的存储深度下，当前的实际采样率为：1M÷100us=10Gs/s，如果存储深度只有250K，那当前的实际采样率就只要2.5GS/s了！一句话，存储深度决定了DSO同时分析高频和低频现象的能力，包括低速信号的高频噪声和高速信号的低频调制。
DSO同时分析高频和低频现象的能力，包括低速信号的高频噪声和高速信号的低频调制。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
日益普及的串行数据传输有两个主要特点：1.广泛采用差分信号进行数据传输；2.没有专门的时钟传输线路，时钟嵌入在数据里。
因此，在系统接收端内部需要时钟恢复电路。
接收端时钟恢复方法最常用的是锁相环(PLL)和相位内插(PI)两种方法。
相对而言，PLL方法应用更为广泛。
图2是一种典型的基于PLL的时钟恢复电路框图。
CDR与PLL简介
PLL的作用简单的来说是产生一个内部信号，去锁住输入信号的相位。
讨论两个信号相位的前提是该两个信号的频率一致，这样才有意义，因此锁相环也是锁频回路。
假定一固定频率信号：
输入PLL，PLL的输出信号为：
由上述结论得到：
但相位是否相等呢？答案是否定的。
实际上，两个信号的相位差是一个定值，其值和起始频率差有关。
所以有了第二个重要概念：“锁相不是指相位相同，而是相位差为定值”。
PLL的组成如图3所示。
鉴相器(PD)将输入信号与VCO(压控振荡器)输出信号进行对比。
环路滤波器对差异进行过滤波，然后用来调整VCO。
由于LPF是低通滤波器，只能将相位差的低频部分传输到VCO。
因此，PLL仅跟踪低频变化。
也就是说，由串行数据的CDR电路恢复得到的Recover Clock 只包含低频抖动，这个低频抖动在数据中同时存在，因此这些低频抖动成分对于接收端SerDes电路在以Recover Clock作为参考边沿判决数据0或1时不会产生影响(前提条件是低频抖动分量不得超过系统的抖动容限)。
而数据中还包含传输系统中的高频抖动分量，由于CDR电路中的低通滤波器的缘故，这部分恢复出的Clock是不包含的。
因此接收端SerDes电路在以Recover Clock作为参考边沿判决数据0或1时可能会由于这些高频的抖动分量导致采样点偏移而出现误码。
因此只有在PLL截止频率或带宽以下的低频抖动是接收端可以跟随的抖动。
相对而言，经过PLL传递出的抖动都为高频抖动，是不能被系统跟
随的，会导致接收端采样点的偏移产生误码。
如下图所示，蓝色线为PLL的幅频特性曲线，其下面包含的区域即为系统可以跟随的抖动。
对应的橙色曲线表示传递出去的抖动的幅频趋势。
图1：典型计算机系统总线架构示意图。
图2：串行数据时钟恢复电路框图。
如果对图5的PLL建立数学模型和分析，每个功能块均可以用传递函数表示。
图5：PLL数学模型示意图。
通常使用两种闭环路传递函数。
一种是相位传递函数，定义如下：
另一种是误差传递函数，定义如下：
相位传递函数为低通，而误差传递函数为高通。
两者关系如下：
该公式用于计算复值。
因为复值有幅度和相位，因此该公式并不代表两个传递函数的复值之和为1。
当前应用比较普遍的串行数据中CDR采用一阶PLL较多，比如GBE，SATA 1.5Gb/s，PCI-ExpressI 2.5Gb/s，以及XAUI 3.125Gb/s。
随着技术的发展，在DisplayPort及
PCI-Express II 5.0Gb/s等一些新标准中二阶PLL也开始得到了应用。
在当前的大多数主流串行数据标准中，其CDR一般采用指定带宽的“Golden PLL”或采用单极点、高通、20dB/dc滚降、截止频率或带宽等于数据速率/1667这样一些特征的PLL进行时钟恢复。
表1是常见串行数据CDR中采用的PLL带宽及标准。
表1：常见串行数据PLL带宽标准。
如何设置PLL带宽
DPOJET软件是泰克最近推出的专门运行在DPO7000及DPO/DSA70000上的眼图和抖动分析软件，该软件将TDS RT-EYE和TDSJIT3集成在一起，不仅保留了原来所有的核心算法，而且极大提高了测试速度和易操作性。
该软件除了完全保留原来TDSJIT3和RT-EYE 所有功能以外，还增加了信号Period/Freq和Amplitude等相关项目的直接测试功能。
软件界面如图6所示。
图6：DPOJET界面示意图。
通常来说，较多的采集样本可以得到更加准确的串行数据测试结果：较多的样本数可以使测量结果更为精确，尤其是低频分量(如扩频时钟，低频抖动等)和高频分量同时存在的测试，更加需要高采样率、长捕获时间的采样数据为基础。
以DSA71254/716004/72004这几款典型的高性能的示波器为例，可以提供全部四条通道上每通道200M记录长度，并且可以在任何采样率最高达50GS/S下工作，完全符合最新的如PCI-Express2.0 5Gb/s测试规范里的至少一次捕获1M UI进行眼图分析的要求。
串行数据分析中的另一个重要问题是：应该使用什么时钟作为眼图、抖动分析等的参考信号？由于测试串行数据的目的是得到“以接收端的眼光看到的该信号的质量”，所以以接收端的时钟恢复方法获得参考时钟是串行信号分析是否准确的一个关键点。
DPOJET使用软件算法进行时钟恢复，可以灵活方便地设置各种参数，并且支持包括一阶锁相环和二阶锁相环在内的多种时钟恢复方式。
因此可以支持当前业界广泛应用的各种串行数据，同时支持对各种串行数据CDR设置符合标准的带宽或者任意带宽。
内含符合标准的分析模块包括
PCI-Express，FB-DIMM，InfiniBand，SATA/SAS，GBE，XAUI，Fiber Channel等。
对于未来的串行数据标准也可以通过设置用户自定义软件时钟恢复进行眼图分析。
DPOJET软件里还集成了泰克实时示波器抖动分析软件TDSJIT3的核心抖动分析算法。
值得一提的是，泰克DPOJET软件内含的的抖动算法提供了抖动频谱图，可以对各个抖动根源作清晰的区分和量化分析，帮助设计者和调试者快速找到问题的根源，如图7所示。
图7：时间间隔误差频谱图。
如果进行眼图或者抖动分析，选择Configure可以对串行数据进行配置，包括被测信号源(Source)，参考电平(Ref Levels)，时钟恢复(Clock Recovery)，抖动(Jitter)等各参数进行配置。
本文主要针对时钟恢复(Clock Recovery)作重点介绍。
图8是时钟恢复的配置界面。
图8：串行数据PLL带宽标准配置示意图。
在Clock Recovery Method下拉菜单下可以选择标准PLL带宽，然后在右下边对应标准下即“Standard：b/s”选择对应的标准。
也可以选择用户自定义带宽，点击PLL-Custom BW输
入框，然后可以输入任意的PLL带宽，从而实现任意PLL带宽的时钟恢复功能。
另外也可以选择PLL Model为Type I或Type II，即选择一阶或者二阶锁相环。
图9：DPOJET自定义PLL带宽示意图。
不同PLL带宽对眼图测试结果的影响
下面以一个GBE实测结果为例，介绍设置不同PLL带宽产生的眼图测试差异。
首先将PLL带宽按照标准设为635kHz，得到的眼图如图10。
可以看到眼图已经完全模糊，显示抖动很大。
图10：PLL BW=635kHz，标准带宽设置得到的眼图。
如果将PLL设为1500kHz，得到的眼图如图11，可以看到PLL带宽提高到1500kHz后，传递出去的抖动减小，得到的眼图相对清晰许多，水平方向眼睛已经能基本张开。
图11：PLL BW=1500kHz时的眼图。
如果将PLL带宽设为5000kHz得到眼图如图12所示。
由于PLL带宽进一步增大，传递出去的抖动减小，因此可以看到在PLL带宽为5000kHz时眼图已经完全张开。
图12：PLL BW=5000kHz得到的眼图。
在得到不同PLL带宽下眼图结果差异后，利用抖动分析功能对数据的TIE Jitter(时间间隔误差抖动)进行分析，得到TIE抖动频谱如图11所示。
可以看见数据的TIE抖动基本在5MHz 以下，其中在719kHz频点上有一峰值高达57ps的抖动，在1383kHz频点上有一峰值达14ps的抖动。
当PLL带宽设为635kHz时，CDR恢复出的时钟是不包含这两个抖动分量的，因此完全传递出去，眼图水平方向呈现关闭状态。
而将PLL带宽设为1500kHz时，此719kHz 抖动和1383kHz抖动被跟随，眼图张开效果明显变好。
在PLL带宽设为5000kHz后，CDR 恢复出的时钟包含的抖动分量将大大增加，系统传递出去的抖动大大减少，眼图也呈现明显的张开。
图13：TIE抖动频谱图。
以上分别介绍了设置PLL带宽为符合标准的635kHz以及用户自定义的1500kHz和
5000kHz三种情况下得到的眼图。
哪一种才是与实际系统的情况相吻合呢？答案显然是符合标准的635kHz带宽。
因为在实际的系统中，接收端亦即芯片内部硬件时钟恢复电路的带宽是标准的635kHz带宽。
所以真实系统在运行时是不能跟随上面的抖动频谱图中719kHz 和1383kHz的抖动分量的，否则会出现比较严重的误码。
作者：黄腾
技术支持工程师
泰克科技(中国)有限公司
图4：跟随抖动和PLL传递出去的抖动。