大多数高速数字通信标准不包括参考时钟抖动的规范。相反，抖动是为串行数据信号指定的，其中一部分来自refclk。因此，这些标准间接限制refclk抖动。该方案给设计者很大的自由选择参考时钟和预算抖动相应。传统上，实时示波器被用于确定串行数据信号中的抖动遵从性。这种分析很简单，因为基于示波器的时间间隔误差(TIE)抖动测量观察到的抖动与实际系统类似(其抖动滤波可以在示波器中执行的软件中模拟)。
另一方面，时钟抖动分析传统上源自相位噪声分析仪，由于其固有的较低的仪器噪声下限。由于示波器和相位噪声分析仪观察抖动的方式不同，因此从这两种仪器中获得相同的值可能具有挑战性。本文提出了一种基于相位噪声的方法，该方法提供了与示波器产生的TIE抖动相似的值。
串行总线®是为SERDES参考时钟定义抖动限制的少数标准之一。自2003年成立以来，PCI Express已经使用实时示波器定义了参考时钟抖动一致性测试。但是数据速率的稳步增长降低了时间裕度，以至于许多低抖动refclks评估到PCI Express基本规范修订版4.0[1]主要是由测试环境引入的抖动。作为回应，时钟和计时行业独立创建了三种不同的算法[2-4]来减去测试环境添加的抖动。为了避免这种情况，在PCI Express基本规范修订版5.0中，版本0.9[5]取消了refclk合规负载板，这锐化了时钟边缘，减少了示波器垂直噪声到抖动的转换。此外，版本0.9包含了一种基于相位噪声的替代的、新的、规范的refclk抖动符合性方法，该方法提供了与PCI-SIG相同的值®传统的基于示波器的方法(没有从测试环境中添加抖动)。本文介绍了这种方法，它已被采用到PCI Express 5.0中。虽然下面将在PCI Express上下文中讨论，但这种方法通常适用于分析通过任何基于锁相环的系统的信号，包括任何高速串行数据通信标准中的参考时钟。
锁相环如何观察相位噪声
锁相环(PLL)是许多数字和射频系统的基本构件。图1 (a)显示了一个示例锁相环，其鉴相器比较相应的输入和反馈边，并输出与它们相位差成比例的脉冲，然后对其进行滤波以控制压控振荡器。在本例中，相位检波器在其上升边缘中点对其输入进行采样。因此，平均抽样(F年代)和输入时钟频率(F在)是平等的。抖动的谱分量位于奈奎斯特频率(F年代/2)混叠，或折回，采样后低于奈奎斯特频率。图1 (b)说明了锁相环的抖动传递函数，其低通滤波特性在奈奎斯特频率F的整数倍上反映在光谱边界上年代/ 2。在奈奎斯特频率以下，落在锁相环带宽内的抖动频率不受衰减，而落在此带宽外的抖动频率则受到环路响应的衰减。图1 (c)使用对数x轴绘制具有5 MHz闭环带宽的锁相环的类似传递函数。图任意绘制到1 GHz。
图1。锁相环(a)示相检波器采样的方框图，以及带有(b)线性和(c)对数x轴的示例抖动传递函数
图2 (a)说明了一个闭环带宽为1 MHz的锁相环[6]如何过滤100 MHz输入信号中的相位噪声。绿色的“滤波器”曲线显示了锁相环在500mhz任意偏置频率下的抖动传递函数。请注意，x轴表示来自载波的频率偏移，适用于相位噪声，因此x轴上的500 MHz偏移将出现在信号频谱中的600 MHz(例如500 MHz偏移加上100 MHz载波)。100 MHz输入信号的相位噪声也显示在图2 (a)中，使用标记为“原始数据”的黑色曲线。添加滤波器和原始数据曲线产生蓝色的“滤波数据”曲线，它表示输入信号的相位噪声有多少通过锁相环出现在输出信号中。过滤后的相位噪声曲线可以在感兴趣的偏移频率范围内进行积分，将其转换为抖动。[7]
然而，有几个问题使这种集成变得复杂。首先，图2 (a)所示的原始数据曲线不可能在高偏置频率下测量。相位噪声分析仪仪器直接测量相位噪声，但它只能测量到相当于基本时钟频率的一小部分的偏置频率。因此，图2 (a)中绘制的原始数据曲线仅供说明。
实际上，100 MHz时钟信号中的相位噪声只能直接测量到30或40 MHz的最大偏置频率，这取决于仪器。高偏置频率下的相位噪声可以用频谱分析仪估计。然而，由于频谱分析仪不能区分相位噪声和幅度噪声，任何频谱分析仪对相位噪声的分析都假定相位噪声在所有偏置频率上占主导地位。当这不是真的，准确性下降，这可能导致结果乐观或悲观取决于几个因素[8]。对于精密时钟源，相位噪声通常主要出现在近内偏置频率。振幅噪声和/或调制可能在更远的地方占主导地位。
其次，在对滤波后的相位噪声进行积分之前，必须确定积分极限。较低的积分极限通常由应用程序设置，例如接收机观测到的抖动传递函数的带宽。积分上限应该延伸到相位噪声下降到一个不显著的水平。人们可以假设这发生在发送SERDES锁相环中相位检波器块的模拟输入带宽附近。例如，如果相位检波器的模拟输入带宽是600 MHz，那么滤波后的相位噪声曲线应该集成到500 MHz的偏置(例如，600 MHz模拟带宽减去100 MHz载波等于500 MHz偏置频率)。然而，信号测量的相位噪声与其振幅无关，至少在其振幅接近仪器的噪声底限之前是如此。因此，对于一阶，当信号通过锁相环时，输入信号的相位噪声不受相位检波器模拟输入带宽的影响。
这些问题使得很难确定将滤波相位噪声转换为抖动的积分上限，我们将在下面讨论这个问题。
图2。通过(a)在输入相位噪声原始数据(黑色)曲线中添加一个锁相环抖动传递函数(绿色曲线)，或(b)在将其添加到锁相环抖动传递函数(绿色曲线)之前，将位于奈奎斯特频率(50 MHz)以上的输入相位噪声(虚线曲线)混叠到它下面(黑色曲线)，以导出输出滤波数据相位噪声(蓝色)曲线
顺便说一句，图2 (b)提供了采样过程[6]中相位噪声混叠的另一种视图。而不是镜像位于F下面的抖动传递函数年代/2跨越光谱边界位于F的整数倍年代/2(即50mhz)如图2 (a)所示，我们可以选择折叠位于F上方的原始数据曲线的部分年代/2跨越这些光谱边界出现在F年代/ 2。图2 (b)说明了这一概念，其中原始数据曲线F年代/2(虚线从50 MHz到500 MHz偏移频率)在F以下混叠年代/ 2。现在，可以将图2 (b)中的Filter曲线分别添加到图2 (b)中的10条原始数据曲线中的每一条上，以计算图2 (b)中所示的Filtered Data曲线。对图2 (b)中每条Filtered Data曲线下的合并区域进行积分，在数学上等同于对图2 (a)中所示的整个Filtered Data曲线进行积分
串行数据链如何观察Refclk相位噪声
知道了锁相环采样时输入相位噪声的别名，我们现在可以模拟串行数据通信链路的抖动传递函数。作为示例，我们将使用PCI Express[1,5]使用的公共时钟计时体系结构，如图3所示。这里，参考时钟相位噪声X由发射锁相环抖动传递函数H滤波1，接收锁相环和CDR抖动传输函数H2和H3.,分别。注意H3.为图3中32 GT/s链路建模。整个系统的抖动传递函数Y是H的函数1H2H3.T为发送和接收路径之间的refclk时间延迟。因此，在输出数据上出现的来自参考时钟的相位噪声量计算为X乘以Y。
图3。PCIe5 32gt /s系统抖动传递函数(Y)在共时钟定时架构中用于滤波refclk相位噪声(X)。
32 GT/s的PCI Express 5.0需要用16种不同的系统抖动传递函数对refclk进行滤波。对于给定的refclk，导致最高抖动的最坏情况函数被计算并绘制在10 kHz和30 MHz之间，如图4 (a)中的绿色“Filter”曲线。原始测量相位噪声数据也绘制在图4 (a)中，作为标记为“原始数据”的黑色曲线。最后，通过添加滤波曲线和原始数据曲线计算滤波后的相位噪声数据，并在图4 (a)中绘制为标记为“滤波数据”的蓝色曲线。
传统的PCI-SIG分析使用实时示波器评估100 MHz参考时钟中的TIE抖动。该方法对时钟波形中每个上升边的TIE抖动进行采样，使抖动的频谱分量高于50 MHz的奈奎斯特频率，混叠低于50 MHz，正如在实际系统中所做的那样。因此，TIE抖动频谱扩展到50 MHz，并正确地混叠抖动的高频成分(正如在实际系统中所做的那样)。
相比之下，相位噪声分析仪包括一个低通滤波器，防止测量相位噪声的偏置频率等于时钟频率的一半(例如50 MHz)。因此，常见的行业实践[3]将最后测量的相位噪声数据点扩展到50 MHz偏移频率，以匹配TIE抖动频谱的外观。图4 (a)通过使用红色段将三条曲线中的每一条从30 MHz扩展到50 MHz来说明这种做法。
图4。(a)不考虑相位噪声扩展，(b)考虑由锁相环采样时的相位噪声混叠
这里的问题是，TIE抖动频谱包括抖动的混叠分量，而图4 (a)所示的相位噪声频谱则没有。为了解释混叠，图4 (b)使用(1)一条红线将最后测量的“原始数据”相位噪声数据点扩展到2 GHz的任意值，(2)通过在位于奈奎斯特频率整数倍(即50 MHz)的频谱边界上镜像它来扩展绿色滤波器曲线。如图4 (b)所示，滤波后的相位噪声数据为蓝色曲线，标记为“滤波后的数据”，现在占相位噪声的混叠分量，其偏置频率为2 GHz。或者，如上面的图2 (b)中所讨论的，相位噪声可以扩展为平坦线到2 GHz，然后在滤波之前镜像回50 MHz以下(未显示)。滤波后的相位噪声数据可以被集成，转换为抖动。[7]
在执行此集成时，我们观察到100 kHz以下的滤波相位噪声足够低，可以忽略。然而，2 GHz左右的滤波相位噪声是显著的，事实上，在积分中占主导地位。结果是，类似于上面的锁相环分析，我们不能定义上积分极限来从滤波后的相位噪声中获得抖动。需要进一步的分析。
动机
我们的目标是找到一种从相位噪声中获得抖动的方法，该方法与传统上用示波器测量的TIE抖动相匹配(没有从测试环境中添加抖动)。由于示波器观察到的抖动与真实系统相似，我们将其结果作为其他方法判断的金标准(假设示波器没有增加大量的抖动，或者可以在后期处理中减去)。本文的其余部分总结了一项详尽的研究[9,10]，以确定这样的方法[7]。这项研究分析了四家不同公司生产的九种不同的时钟设备。该设备被选择覆盖范围广泛的抖动值，跨越两个数量级。
测试设置
本研究中使用的测试设置如图5所示。根据传统的PCI-SIG方法[1,5]，用示波器[11]测量refclk抖动。本研究使用Keysight Technologies的示波器型号DSA91204A，频率为40 GS/s，其抖动结果之前与其他制造商的示波器[9]相关。PCI Express 5.0基本规范[5]要求被测时钟设备(DUT)直接连接到示波器，如图5 (a)所示。此外，在本研究中，DUT通过优化的[12]balun连接到相位噪声分析仪或频谱分析仪仪器，如图5 (b)所示。在相位噪声分析仪和频谱分析仪模式中都使用了罗德舒瓦兹(R&S) FSWP。此外，还使用Keysight Technologies E5052B型相位噪声分析仪来验证最终的方法。
图5。使用(a)示波器和(b)相位噪声分析仪和频谱分析仪测试测量抖动的设置
测试数据
作为参考，9个时钟设备的信号完整性如图6 (a)所示，以及图6 (b)中上升边缘跃迁的放大视图。时钟设备在图例中使用字母a到i匿名标识。所有设备的示波器采集带宽都设置为最佳值2 GHz，除了设备a，其最佳带宽为5 GHz。在0V处的瞬时时间交叉被插值，并用于计算16个所需的GEN-5抖动滤波器[5]中的每个连续100万个TIE抖动值。下面我们将把这个过程称为“PCI-SIG传统抖动方法”。
图6。获得了9个时钟设备的示波器波形，显示(a)一个周期，(b)上升边缘过渡
接下来，测量从测试环境中添加的抖动，并从PCI-SIG传统抖动值中减去[2,13]。我们将在下文中将此过程称为“PCI-SIG传统抖动方法减去作用域垂直抖动”。在这16个抖动值中，最坏的情况，或最高抖动，角被挑出来作为比较下面各种相位噪声方法的黄金参考。
的r和s FSWP仪器最初用于分析相位噪声,结果如图7所示(一个)。相位噪声分析仪和频谱分析仪模式使用上方和下方,分别30 MHz频率偏移,有一个垂直的虚线在图7 (a),供参考,一个方程的顶部显示了输出电压图7 (a)为每个模式,只提醒读者,相位噪声分析仪观察相位噪声(ϕ),而一个频谱分析仪观察振幅噪音(B),振幅调制(A)，相位噪声(φ)[8]。频谱分析仪数据扩展到设备的最佳示波器采集带宽。图7 (b)与(a)相似，但省略了马刺，启用了1%的平滑。这使得更容易观察设备的随机噪声底，如预期的那样，随着偏移频率的增加而滚掉。图7 (c)绘制了30mhz以下的原始相位噪声分析仪数据，并在每个设备的优化示波器采集带宽的更高偏置频率上追加了一个平坦扩展区域。
图7。9个时钟器件的测量相位噪声数据显示(a)原始和(b) 1%平滑相位噪声数据，其中省略了下面的相位噪声分析仪和上面的频谱分析仪测量的杂散，分别为30 MHz偏置频率(用虚线标记)，以及(c)原始相位噪声分析仪数据仅附加了30 MHz以上的平坦扩展
方法的结果
抖动来自图7 (a)相位噪声，通过应用从示波器分析中观察到的最坏情况抖动滤波器角，然后将滤波后的相位噪声(未显示)集成到所有偏置频率上。下面我们将把这种方法称为组合原始相位噪声和频谱分析仪方法，或“组合PN + S/A方法，原始”。抖动也来自图7 (b)，使用相同的过程，我们将在下面称为“组合PN + S/A方法，平滑”。最后，抖动从图7 (c)中得到，通过应用相同的最差情况抖动滤波器，然后以50 MHz的步长将从10 kHz到50 MHz到1 GHz的各种偏置频率的滤波相位噪声数据(未显示)集成在一起。也就是说，集成上限是50 MHz、100 MHz或150 MHz，等等，最高可达1 GHz。下面我们将把这种方法称为“PN to x MHz w/ flat ext.”方法，其中x表示积分的上限。
图8总结了关键抖动结果。来自传统的基于PCI-SIG示波器的方法的数据使用开红色的“o”符号绘制。从该数据中减去由示波器垂直子系统引入的抖动，产生如图8所示的填充红色“o”符号，它建立了评估所有相位噪声方法的基线。
图7 (a)和(b)所示的组合相位噪声分析仪和频谱分析仪模式分别为原始数据和平滑数据推导出的抖动，使用三角形和“*”符号用蓝色表示。注意，设备I的蓝色三角形位于930 fs RMS，位于绘制区域之外。在图7 (c)所示的带有平面扩展的相位噪声所产生的抖动中，最佳匹配(与填充的红色“o”符号)发生在200 MHz偏置频率的上限积分极限。该数据在图8中用绿色“×”符号表示。作为参考，集成上限为50mhz时对应的抖动用绿色“+”符号表示。剩余的计算得到的带平面扩展的相位噪声不值得注意，在图8中省略。
图8。总结比较示波器和相位噪声方法的抖动结果
