数据分析
在图8中观察到两个有趣的异常值。设备F包含PN + S/A组合方法的离群值，设备H包含带有平面扩展的相位噪声方法的离群值。另外，设备G对所有方法都产生了大致相同的结果。图9 (a)对这三个器件进行了一些有趣的方法隔离，并将它们映射到图9 (b)中的平滑频谱以进行进一步分析。
图9。详细分析F和H设备的异常值数据，与参考设备G进行比较
图9 (a)中显示的设备G的方法与设备a - d、E和i的抖动匹配得相对较好，有趣的是，图9 (b)中显示的设备G的频谱显示了平坦扩展区域高估了观测到的相位噪声，随着偏移频率的增加而消失。另一方面，平面扩展区域结束于200 MHz，与示波器方法相比，低估了观测到的相位噪声，示波器方法将相位噪声混淆到至少2 GHz的采集带宽。该数据表明，这两种非理想状态引入的误差在最佳积分上限200 MHz时相互抵消。
作者推测，为什么这个200 MHz偏置频率导致抖动的准确估计，是因为谐波(在理想方波中)的振幅随着频率[14]的增加而减少，这样一个100 MHz数字时钟信号的第三次谐波，发生在200 MHz偏置频率上，比所有更高的谐波都要大。因此，三次谐波对抖动的贡献可能大于高次谐波的贡献。
如果我们假设图9 (b)中设备G的频谱分析仪数据代表相位噪声，那么在频谱分析仪相位噪声积分中占主导地位的区域可以通过在曲线上方画一条- 10db /decade的线来定位，并降低它，直到它与曲线[15]相交。交点确定了对这个积分的主要贡献，或抖动值。在图9 (b)中，可以观察到这种交集发生在设备G的三次谐波处。相位噪声谱在三次谐波以上显著滚转，可以安全地忽略。因此，对抖动的主要贡献可以通过积分到等于时钟频率两倍的偏置频率(即第三次谐波)来捕捉。
如图9 (b)中设备G所示，通过将最后一次测量的相位噪声数据点扩展到时钟频率的两倍，与表示频谱分析仪数据的蓝色曲线相比，表示相位噪声扩展的绿色曲线高估了30至150 MHz偏移量之间的相位噪声，低估了150至200 MHz偏移量之间的相位噪声(注意，对对数x轴积分给予更高频率区域更大的权重)。这些相反的因素相互抵消，导致滤波相位噪声与平坦扩展到200 MHz的集成，以近似真实抖动。
接下来让我们分析图9 (b)中设备F的离群值，它显示了从100 MHz偏移量开始频谱能量密度的大幅增加。由于频谱分析仪同时测量幅度噪声/调制和相位噪声，这种增加似乎是由相位噪声以外的东西引起的，特别是考虑到集成的带平面扩展的相位噪声方法对图9 (a)中示波器产生的抖动提供了出色的匹配。因此，设备F频谱分析仪数据在集成时高估了由于相位噪声引起的抖动。不幸的是，从频谱分析仪得到的相位噪声数据总是有这个潜在的问题。虽然相位噪声分析仪仪器也可以单独测量振幅调制，但这种能力在偏置频率上不能超过几十MHz。因此，似乎没有一种简单的方法来筛选振幅噪声/调制何时在相位噪声的频谱分析仪图中占主导地位。
也有趣的频率谱定义边界附近的数据点之间的间距在奈奎斯特频率的整数倍(如50 MHz, 100 MHz、150 MHz,等等)使用频谱分析仪间距为太远远跟随过滤器曲率在这些边界如图4所示(b),也就是说,频率间距在200 MHz抵消相位噪声数据获得的频谱分析仪是兆赫,而滤波器在200兆赫偏置附近的变化发生在千赫尺度。这为基于频谱分析仪的方法引入了另一个潜在的大误差来源。由于这些原因，我们不愿推荐从频谱分析仪数据[8]衍生的抖动方法。
设备H呈现出第二个异常值。在这里，带平面扩展的相位噪声方法显示了一个糟糕的匹配。分析图9 (b)中的器件H，观察到较大的谐波。第二次谐波(200 MHz)发生在100 MHz频率的偏置(从100 MHz载波);第三次谐波(300 MHz)发生在200 MHz的偏置频率上，依此类推。这些谐波是通过频谱分析仪和基于示波器的方法捕获的，但不是通过带平面扩展的相位噪声方法(导致它低估了真实的抖动)。具有大谐波的器件在其基本时钟频率(100 MHz)上具有非常高和宽的相位噪声，或近相位噪声。这样的设备通常不用于对抖动敏感的应用程序。例如，PCI Express 5.0[5]将refclk抖动限制为150 fs RMS。
图10说明了如何通过相位噪声掩模测试轻松筛选这种器件，忽略了杂散。例如，设备H和I由于近相噪声过大而无法通过掩码测试。其余的设备通过掩码测试，并可以随后过滤和分析如上所述。这种方法类似于许多高速串行数据通信标准中常见的眼罩测试，通过眼罩测试是证明抖动遵从性的必要条件，但不是充分条件(随后需要更详细的浴缸或其他抖动遵从性测试)。
图10。为了改善匹配，相位噪声掩模测试可以筛选出具有不现实的高近相位噪声的时钟器件
推荐的相位噪声方法
从图8中可以看出，基于相位噪声的方法为基于示波器的方法的抖动提供了最佳匹配，该方法是相位噪声-200兆赫-平面扩展方法[7]。为了消除示波器增加的额外抖动，可以从示波器抖动结果中积分和减去由示波器时基引入的相位噪声。不幸的是，我们无法接触到示波器的内部时基相位噪声，因此也无法测量。然而，我们可以从图8中估计示波器的时基抖动，首先假设用相位噪声-200 mhz平延法测量的抖动的最低值(发生在设备A上，RMS为27 fs)提供了抖动的“真实”值。
然后，假设抖动的随机分量占主导地位，我们可以从图8所示的填充红色“o”值(即PCI-SIG传统抖动方法减去范围垂直抖动)中对该抖动值进行正交减法。这些新值在图11中使用填充橙色的“o”符号绘制，并在图例中标记为“PCI-SIG传统抖动方法减去范围垂直和水平抖动”。此外，图11用绿色“−”符号绘制了E5052B相位噪声到200 mhz平面扩展方法的测试结果，与使用相同方法获得的FSWP数据吻合良好。
图11。最后基于相位噪声的方法在减去测量环境引入的抖动后，产生的抖动值与传统的基于示波器的方法的抖动值相匹配
综上所述，图11显示了传统的基于PCI-SIG示波器的抖动方法(去除环境抖动)与基于相位噪声的新方法(将最后测量的相位噪声数据点扩展到200 MHz)之间的良好一致性。参照图12，可以将PCI Express的过程总结如下。
- 使用相位噪声分析仪测量DUT的原始相位噪声，单位为dBc/Hz。
- 如果使能了SSC (spread-spectrum clock)功能，请根据PCI-SIG的要求，移除低于2mhz的SSC杂散。
- 忽略相位噪声谱中的所有杂散，并根据预先确定的相位噪声掩模对其进行评估(掩模示例如图12所示)。如果DUT通过，则继续执行下一步。
- 将相位噪声图从第2步直线延伸至时钟频率的两倍(即200 MHz偏移频率，相当于信号频谱中的3次谐波或300 MHz)。
- 通过位于奈奎斯特频率整数倍(例如50 MHz)的频谱边界镜像抖动滤波器，最高可达基本时钟频率的两倍(即200 MHz偏移频率)。或者(未显示)，混叠相位噪声数据(从步骤4)位于奈奎斯特频率以上到奈奎斯特频率以下。
- 对相位噪声数据进行滤波。
- 通过对滤波后的相位噪声数据进行积分，得到RMS抖动值，如图12中标记为“Integration Region”的阴影区域所示。
图12。推荐的相位噪声方法的总结，在滤波和积分之前添加一个平坦的相位噪声扩展到时钟频率的两倍，从而得出抖动[7]
PCI- sig在PCI Express Base Specification Revision 5.0 Version 0.9[16]中采用了此过程(没有步骤3)。请注意，过滤过程的某些方面正在申请专利[7]。
结论
时钟和计时行业通常从相位噪声分析仪测量中获得时钟信号中的抖动。另一方面，高速串行数据通信标准通常使用示波器测量串行数据信号中的抖动。PCI Express是指定参考时钟抖动要求的少数标准之一。历史上，PCI-SIG要求使用实时示波器测量refclk抖动。最近数据速率的增加需要更低抖动的参考时钟，以至于今天，基于示波器的测试环境所增加的抖动已经不能再被忽视了。这促使我们创建了一种基于相位噪声的方法，通过传统的PCI-SIG示波器方法获得相同的抖动值。为了找到合适的方法，本文使用各种示波器和相位噪声方法分析了来自四家制造商的9个时钟器件。
结果表明，传统的将相位噪声扩展和积分到奈奎斯特频率的方法忽略了混叠，从而低估了与示波器或实际系统相比所观察到的抖动。通过了解采样系统中相位噪声的别名，我们创建了一种方法来滤波相位噪声并推导抖动[7]。根据经验，我们通过将最后测量的数据点扩展到等于基本时钟频率两倍的偏置频率，将该方法改进为后处理相位噪声。最终推荐的相位噪声方法在减去由示波器增加的抖动后，产生的抖动值与传统的基于示波器的测量值相匹配。因此，这种相位噪声方法被采用到PCI Express Base Specification Revision 5.0 Version 0.9[16]中，作为传统的基于PCI- sig示波器的refclk抖动方法的替代规范测试。
顺便说一句，数据转换器行业根据数据转换器上的信噪比测量，经验推导出(至少十年前)相同的相位噪声积分上限为基本时钟频率的两倍[17-19]。本文提供了一个独立的分析来证明这个“2倍”的经验法则。
请注意，为了与PCI-SIG要求保持一致，假定伪相位噪声(来自SSC的除外)很小，因此在后期处理中不能忽略。然而，其他希望采用这种方法的标准在推导抖动的随机分量时可以选择省略马刺。虽然上述讨论主要针对随机相位噪声来获得抖动的随机(RMS)分量，但可以对杂散相位噪声频谱进行类似的分析，以获得抖动值的确定性(峰-峰)分量。
总之，这里提出的相位噪声方法比相应的示波器方法实现起来更快更简单。由于相位噪声分析仪具有比示波器更低的噪声下限，因此在未来的高速串行链路中，随着时间裕度的缩小，这种方法也更容易扩展。最后，这种方法比示波器方法更适合于分析时钟信号，因为相位噪声数据很容易获得精确的时钟源。
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参考文献
[1]“PCI Express Base Specification Revision 4.0 Version 1.0，”PCI- sig(2017年9月27日)，www.pcisig.com
[2]“注释-5，从RMS抖动测量中去除示波器噪声，”G. Giust, F. Benford，技术说明，JitterLabs(2017年7月25日)，https://www.jitterlabs.com/support/publications
[3]“8GT/s和16GT/s系统的Refclk Fanout最佳实践”，G. Richmond, SiLabs, PCI-SIG开发者大会，加州圣克拉拉(2017年6月7日)，www.pcisig.com
[4]“PCI Express测量技术的Gen5和超越白皮书，”R. Wade, J. Hsu, J. Tajnai, J. Bal, IDT(2018年1月9日)，https://www.idt.com/document/whp/pcie-measurement-techniques-gen5-and-beyond-white-paper
[5]“PCI Express Base Specification Revision 5.0 Version 0.9，”PCI- sig(2018年10月18日)，www.pcisig.com
[6]“相位噪声别名为TIE抖动，”G. Giust，信号完整性杂志(2018年7月23日)，//www.lambexpress.com/articles/912-phase-noise-aliases-as-tie-jitter
[7]“分析来自电子设备的信号中的相位噪声的方法和设备”，正在申请专利，JitterLabs LLC，www.jitterlabs.com
[8]“噪声过程对抖动和相位噪声测量的影响”，G. Giust，信号完整性杂志(2018年4月8日)，//www.lambexpress.com/articles/800-influence-of-noise-processes-on-jitter-and-phase-noise-measurements
[9]“PCIe5 Refclk抖动分析的方法”，G. Giust, PCI-SIG电气工作组会议(2018年1月19日)，www.pcisig.com
[10]“确定匹配范围抖动测量的相位噪声方法的研究”，G. Giust, rev. 6, PCI-SIG电气工作组会议(2018年5月24日)，www.pcisig.com
[11]“Note -3，如何设置一个实时示波器来测量抖动，”G. Giust，技术笔记，JitterLabs(2016年2月16日)，https://www.jitterlabs.com/support/publications/note3/note3
[12]“用巴伦测量相位噪声”，G. Giust, D. Jorgesen，《微波杂志》，第59卷，第10版(2016年10月)，第84-100页。
[13]“在噪声中表征信号”，正在申请专利，JitterLabs LLC，www.jitterlabs.com
[14]“信号和电源完整性-简化(第三版)”，E. Bogatin, Prentice Hall(2018年1月12日)，第2.7章。
[15]“通过检查确定相位噪声的主要来源”，G. Giust, Note-4, JitterLabs LLC，https://www.jitterlabs.com/support/publications/note4/note4
[16]“PCI Express Base Specification Revision 5.0 Version 0.9，”章节8.6.7,PCI- sig(2018年10月18日)，www.pcisig.com
[17]“采样系统和时钟相位噪声和抖动的影响，”B. Brannon, AN-756，模拟器件(2004)，www.analog.com/an - 756
[18]“模数转换器时钟优化，一个测试工程的角度，”R. Reeder, W. Green, R. Shillito，模拟对话，42-02，模拟设备(2008年2月)，https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/analog-to-digital-converter-clock-optimization.html
[19]“数据转换器接口”，W. Kester，模拟数字转换，第6.5章，模拟器件，https://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Data-Conversion-Handbook/Chapter6.pdf
