Измерение джиттера с помощью осциллографа

Что такое джиттер?

Джиттер — это кратковременное отклонение временных характеристик цифрового сигнала от его номинального значения. Существует два основных типа джиттера: случайный джиттер и детерминированный джиттер. Случайный джиттер не ограничен, то есть его величина продолжает увеличиваться с увеличением продолжительности измерения. Случайный джиттер связан со стохастическими процессами, такими как шум. Детерминированный джиттер ограничен, и его амплитуда ограничена с увеличением времени наблюдения. Детерминированный джиттер подразделяется на периодический джиттер, джиттер, зависящий от сигнала, и ограниченный некоррелированный джиттер (BUJ).

Измерение джиттера генератора

Начнем с измерения джиттера генератора. Рассматриваемый генератор с частотой 133 МГц, амплитудой 150 мВ и скважностью 50%. Он подключается к осциллографу с помощью 50-омной связи для согласования импеданса источника. На рис. 1 показана форма тактового сигнала, как она выглядит на осциллографе.

Рис. 1. Тактовый сигнал с частотой 133 МГц с измерениями ошибки временного интервала, периода и времени нарастания, включая статистику измерений.

 

Параметры измерения осциллографа используются для количественной оценки джиттера. Двумя часто используемыми параметрами являются период и ошибка временного интервала (TIE).

Период измеряет время между ближайшими фронтами с одинаковым наклоном. Параметр TIE измеряет разницу во времени на границе данных с ее идеальной расположением. TIE можно рассматривать как отчет о мгновенной фазе потока данных. TIE определяется когда известна тактовой частоты потока данных. ЕЕ можно ввести явно или определить с помощью осциллографа во время настройки TIE.

В примере измерения периода тактового сигнала, ошибки временного интервала и времени нарастания выполняются для многих тысяч измерений. Отображаемая статистика измерений показывает последнее измеренное значение, среднее значение, минимальное значение, максимальные значения, стандартное отклонение (sdev) и количество измерений, включенных в статистику. Этот осциллограф записывает каждое измерение. Для показанной формы сигнала каждое измерение содержит пять полных циклов и семь нарастающих фронтов, поэтому на одно измерение приходится пять измерений периода и семь измерений TIE и времени нарастания.

Стандартное отклонение

Стандартное отклонение — это статистический показатель качества, показывающий разброс измеренных значений относительно среднего значения. При расчете берется измеренное значение (x_i), вычитается среднее значение (µ), что по существу показывает мгновенный джиттер периода. Эта разница возводится в квадрат. Вычисляется среднее значение квадратов разностей по общему количеству измерений (N), а затем извлекается квадратный корень из среднего значения.

Стандартное отклонение является хорошим показателем качества для периода или джиттера TIE, связанного с этим тактовым сигналом. Фактически, это среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение) периода или джиттера TIE. Разница между максимальным и минимальным значениями представляет собой размах дрожания выбранного параметра.

Обратите внимание на разницу между среднеквадратичным дрожанием для TIE и периода. Эта разница является ожидаемой, поскольку TIE измеряет один фронт сигнала, а период измеряет разницу между двумя фронтами. В подобном случае, когда джиттер на каждом фронте является случайным и считается независимым, джиттер при измерении периода представляет собой квадратичную сумму джиттера на каждом фронте. Поэтому ожидаем, что джиттер периода будет примерно равен квадратному корню из двукратного джиттера TIE.

Измерение времени нарастания добавлено, чтобы гарантировать, что частота дискретизации осциллографа достаточно высока, чтобы четко определить фронт тактовых сигналов. Как минимум на краю должно быть более двух сэмплов. Чтобы иметь две выборки на времени нарастания 1 нс, частота выборки должна быть больше 2 Гвыб/с.

Короткая запись входного сигнала длительностью 50 нс, использованная в этом измерении, может показать вариации джиттера на частотах 20 МГц и выше.

Чтобы согласовать джиттер с возможными источниками на более низких частотах, необходимо получить более длинную запись данных входного сигнала. Это следует делать, поддерживая фиксированное значение частоты дискретизации осциллографа. В примере использовалась частота дискретизации 10 гигавыборок в секунду (GS/s), поскольку масштаб по горизонтали был увеличен до 50 мс на деление, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. При увеличении продолжительности сбора данных за счет увеличения объема памяти для сбора данных до 5 мегавыборок масштаб по горизонтали увеличивается до 50мс на деление. Это позволяет измерять колебания джиттера вплоть до 2 кГц.

 

Растянутая по горизонтали кривая масштабирования Z1 используется для просмотра части сигнала с исходным шагом 5 нс на деление, а также фактического сбора данных. Даже при таком длительном сборе измеряются TIE, период и время нарастания каждого периода полученного тактового сигнала. Стандартное отклонение периода остается равным 5,2 пс, а TIE — 3,8 пс.

Выбор использования TIE

Выбор использования TIE или измерения периода для джиттера тактового сигнала обычно определяется стандартом, который тестирует пользователь. Измерения джиттера на основе периода обычно используются для оценки тактовых сигналов. TIE может использоваться как для тактовых сигналов, так и для сигналов данных.

Значки под каждым измерением показывают гистограмму измеренных значений. Щелчок по этому значку позволит отобразить гистограмму в виде математической кривой, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 На гистограмме показано распределение измеренных значений TIE. Форма распределения связана с источником джиттера.

 

На гистограмме отображается количество измерений со значениями в узком диапазоне значений, называемом бином. В этом примере гистограмма использует 2000 бинов, равномерно распределенных по 50 пс, поэтому каждый бин имеет ширину примерно 25 фс. Форма гистограммы связана с источником джиттера периода. Колоколообразная форма значений TIE характерна для гауссова или нормального распределения. Этот тип распределения связан со случайными процессами, такими как шум. Гистограмма может быть определена количественно с использованием параметров гистограммы, в этом случае использовались среднее значение гистограммы, стандартное отклонение и диапазон. Синие линии на гистограмме — это маркеры параметров, показывающие, где выполняется измерение каждого параметра. Для этого распределения Гаусса 68 процентов измеренных значений находятся в пределах ± 1 стандартного отклонения от среднего значения, как показано на рисунке. Чем ниже стандартное отклонение, тем ближе к среднему распределению измеренных значений.

Отслеживание

Последним инструментом в базовом наборе инструментов для анализа джиттера является функция отслеживания. Функция отслеживания отображает каждое измеренное значение в зависимости от времени. Трек является синхронным по времени с исходным сигналом, так что каждая точка на треке появляется в тот же момент времени, что и измеренный фронт или цикл, создавший это значение. Любое периодическое изменение измеренного джиттера будет отображаться на функции отслеживания. На рис. 4 на дисплей добавлена функция отслеживания TIE.

Рис. 4 Функция отслеживания показывает изменение измерения TIE во времени синхронно с полученной формой волны в канале C1.

 

Вертикальная шкала для функции отслеживания TIE выражена в единицах времени и показывает мгновенное отклонение от идеального местоположения края для каждого цикла полученного сигнала. В этом примере дорожка плоская, потому что джиттер представляет собой случайный шум без заметной периодичности. Дорожка более интересна, если присутствует периодический джиттер, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Измерение тактового сигнала как со случайными, так и с периодическими компонентами джиттера TIE. Трек отображает изменяющуюся во времени периодическую составляющую.

 

Добавление синусоидальной составляющей

Добавление синусоидальной составляющей 47 кГц к дрожанию тактового сигнала изменяет гистограмму на бимодальную форму. Гистограмма синусоиды имеет седловидную форму и свернута с колоколообразной формой распределения Гаусса, чтобы сформировать наблюдаемую бимодальную форму. Разделение пиков пропорционально амплитуде периодической составляющей джиттера. Функция отслеживания показывает форму синусоидального компонента джиттера, добавленного к случайному компоненту. Функция сглаживания boxcar, примененная к функции дорожки (синяя кривая на математической трассе F3), наложенная на дорожку, ослабляет шум из-за случайного компонента джиттера и показывает сглаженную версию синусоидального компонента джиттера. Параметры измерения P7 и P8 считывают частоту и размах выделенной периодической составляющей, 47 МГц с размахом 20 пс.

Мы выполнили некоторые базовые измерения джиттера тактовых импульсов с помощью инструментов измерения джиттера, имеющихся в осциллографе. Эти измерения с некоторыми изменениями можно использовать для измерения джиттера сигналов данных, как показано на рисунке 6 .

Рис. 6 Анализ джиттера сигнала данных NRZ использует параметр ошибки временного интервала. Те же инструменты, что и для анализа джиттера тактовых импульсов, применяются для измерения джиттера в потоке данных.

Поток данных без возврата к нулю (NRZ)

Источником этого анализа является поток данных без возврата к нулю (NRZ) с тактовой частотой 133 МГц. Настройки осциллографа остались прежними: окно сбора данных 500 мс с частотой дискретизации 10 Гвыб/с. Кривая масштабирования показывает часть данных PRBS 7. В отличие от тактового сигнала, сигнал данных не имеет одинакового периода, что делает параметр периода неверным для анализа джиттера. Как и в случае измерения джиттера тактового сигнала, джиттер данных будет использовать стандартное отклонение параметра TIE в качестве меры среднеквадратичного джиттера. В этом измерении стандартное отклонение TIE составляет 3,9 пс. Среднее значение джиттера TIE составляет всего 3 фс, что означает, что среднее значение джиттера близко к нулю. 

Как и в случае джиттера часов, гистограмма и инструменты трека дают дополнительную информацию. Гистограмма центрируется на нуле, как и ожидалось от среднего значения параметра TIE. Размах гистограммы составляет 36 пс и также симметричен относительно нуля. Функция отслеживания в основном показывает случайное отклонение от среднего значения практически равного нулю. Выходной сигнал наложенного фильтра boxcar показывает небольшую размах 4 пс даже при отсутствии периодического джиттера. Это результат зависящего от данных джиттера, связанного с потоком данных. Это форма детерминированного джиттера, связанного с шаблоном данных.

Если к потоку данных добавить периодический джиттер, мы увидим результат, аналогичный тому, что наблюдался с джиттером тактового сигнала, как показано на рисунке 7 .

Рис. 7. Анализ джиттера в потоке данных NRZ со случайными и периодическими компонентами джиттера. Также присутствует джиттер, зависящий от данных.

 

Добавление элемента периодического джиттера привело к тому, что гистограмма джиттера стала бимодальной, как это наблюдалось в случае джиттера тактовой частоты. Функция отслеживания показывает искаженную синусоидальную форму волны периодического компонента джиттера. Это отличается от ситуации когда периодическая составляющая была добавлена к тактовому сигналу.

Искажение происходит из-за добавления зависящего от данных дрожания, которое связано с шаблоном данных. Все эти компоненты содержатся в стандартном отклонении измерения TIE.

Основные измерения джиттера начинаются с временных параметров TIE и Period. Статистика параметров предоставляет данные о среднеквадратичных значениях и размахе джиттера. Гистограммы параметров дают представление о типе джиттера и его распределении. Наконец, функция отслеживания помогает определить периодичность джиттера. Измерения джиттера выполняются по количеству измерений, сообщаемых полем статистики «число», в большинстве случаев менее 10 8 значений.

 Большинство осциллографов предлагают более совершенный анализ джиттера или программное обеспечение для анализа последовательных данных, обеспечивающее экстраполяцию измеренных значений джиттера и моделирование джиттера до 10 12 измерений и более. Они также обеспечивают отображение глазковых диаграмм с соответствующим анализом.

 

 

Источник: www.edn.com