用于误码率测试仪的抖动注入技术研究

贾冒华,童 琼,李秀华,赵显峰,刘婷

(北京无线电计量测试研究所,北京 100039)

0 引言

数字信号的抖动是其在某个特定时间节点上偏离理想时间位置的瞬时波动[1],在频域往往体现为频谱的发散,具有一定的随机性。在数字电路中,抖动指标直接影响信号的整体质量,是信号完整性分析中最重要的考核因素之一。

对于数字信号传输系统而言,使用者不仅关注系统自身的固有抖动指标,还需要了解其对于不同抖动强度信号的容忍程度。因此,误码率测试仪在进行数字信号传输系统的指标评定时,其输出信号的抖动频率和抖动幅度需要精确可控。抖动注入就是在误码率测试仪的输出信号上叠加可控抖动的技术。

1 抖动注入原理

在误码率测试仪中,码型发生器用于产生包含特定图形信息的串行信号,其输出测试信号的抖动可以近似地等同于输入时钟信号的抖动,如图1 所示。

图1 输入时钟信号与输出测试信号的抖动关系图Fig.1 Jitter relationship between input clock signal and output test signal

正弦抖动的注入可以看作将时钟信号经过一个正弦频率调制[2]的过程,其抖动频率和抖动幅度分别与调制信号频率和幅度一一对应。其基本原理如图2 所示。

图2 时钟信号抖动注入的基本原理图Fig.2 The basic principle of jitter injection for clock signal

时钟源是原始的固定速率时钟信号,该时钟信号与频率、幅度均可自由调节的FM(频率调制)输入信号进行频率调制,从而产生添加了抖动效果的时钟信号。频率调制过程中调制信号的频率和幅度决定抖动注入后时钟信号的抖动特性,抖动分量频率fjitter与调制信号的频率保持一致。

抖动分量幅度的峰峰值APP一般用单位间隔(UI)来表述[3],1 UI 相当于数据信号单个符号位(即一个时钟周期)的持续时间TB,式(1)描述了抖动分量幅度APP用UI 为单位来表述的计算方法。

式中:TB——单个符号位时间,ps。

单个符号位时间TB即为码速率的倒数,以32 Gb/s为例,TB是31.25 ps,那么抖动分量幅度的峰峰值APP=0.5 UI 所对应的时域宽度ΔT为15.625 ps。

抖动分量幅度是受正弦调制信号幅度VPP控制的,调制后时钟信号的频率偏差和VPP是成线性关系的。抖动注入后的时钟信号可以通过式(2)进行表述。

式中:fCLK——时钟信号频率,Hz;η——频率调制系数;fjitter——抖动分量频率,Hz。

频率调制系数η由频率调制的频率偏差ΔF和抖动分量频率fjitter决定

抖动分量幅度的峰峰值App取决于调制系数

2 抖动注入实现

在误码率测试仪中,采用两个时钟源模块来实现时钟信号的抖动注入,其中一个具有频率调制功能,如图3 所示。需要抖动注入时,时钟源1 输出一个频率为fCLK的单频时钟信号,时钟源2 输出一个频率为fjitter的低频调制信号。用时钟源2 的信号调制时钟源1 的频率分量,使得时钟源1 输出信号的频率在一定范围内波动,用作码型发生器的工作时钟。码型发生器中各通道采用同一个时钟信号,因此所有通道输出的测试信号都可以实现抖动注入功能。抖动注入后的测试信号质量已经大大恶化,可以输出到被测件进行抖动容限测试。

图3 误码率测试仪抖动注入示意图Fig.3 The jitter injection diagram of bit error rate tester

如图4 所示,时钟源1 主体为锁相环架构,采用DDS(直接频率合成器)作为锁相环的参考时钟[4],能够提供高精度的频率调节分辨力。如果要获得较小的调谐频率,则需要减小锁相环环路带宽,但是锁相环环路带宽无限制的减小会影响宽带锁相性能,通常采用对锁相环参考时钟进行调制的方法实现窄带频率调制。方案中锁相环环路带宽为20 kHz,需要产生20 kHz 以内的调谐频率时,由DDS 直接产生窄带调频信号,并以参考时钟的方式将调频特性传递至锁相环的输出信号。采用外部调制信号输入时,由AD(模数转换器)对外部调制信号进行采样,得到的数字信号由FPGA(大规模可编程门阵列)进行数字鉴频处理,并转换为频率控制字和相位控制字输送给DDS。当需要宽速率的调制信号时,利用加法器电路将调制信号与比较器输出的压控电压进行叠加后,连接至VCO(压控振荡器)的输入端。基于VCO 的电压/频率转换特性,调制信号给压控电压带来的幅度波动将变为输出信号的频率波动,最终实现对输出信号频率的调制。

图4 时钟源1 原理框图Fig.4 The functional block diagram of clock generator 1

如图5 所示,时钟源2 用于提供调制信号,其DDS 模块的频率控制字为32 bit,幅度控制字为12 bit,可以实现高精度的抖动频率控制[5]。方案中,DDS 采样时钟为2.5 GHz,对应的频率分辨力为2.5 GHz/232=0.6 Hz,幅度分辨力可达0.2 mV。

图5 时钟源2 原理框图Fig.5 The functional block diagram of clock generator 2

输出时钟信号抖动分量幅度的限制是由调制频率输入幅度Vrms、实际输出信号的调制带宽和线性度范围受限所致。调制频率输入幅度Vrms和抖动分量幅度需要通过大量测试进行描述,首先调节时钟源2 调制信号的幅度,再通过时域测量和频率测量方法得到抖动幅度APP的拟合曲线,如图6 所示,最后将拟合曲线预存于数据库中作为默认抖动注入功能的查询参数,可以实现0.1～10 UI 范围的抖动幅度控制。

图6 归一化频率调制幅度和时钟抖动幅度映射图Fig.6 The normalized map of frequency modulation amplitude and clock jitter amplitude

如图6 所示,时钟速率为28 GHz 的条件下,分别在抖动分量频率为500 kHz、1 MHz、4 MHz 和10 MHz时使用时域测量和频域测量方法测量出抖动分量幅度峰峰值。归一化频率调制幅度IFM定义如下:

式中:Vrms——调制信号幅度有效值,V;S——频率调节灵敏度;fjitter——调制信号频率(即为抖动分量频率),MHz。

由图6 可得到抖动分量幅度的线性拟合曲线公式如下:

3 抖动注入测量

对于误码率测试仪输出信号的抖动指标,最直观的测试方法是采用高速示波器的脉冲参数测量功能。将被测误码率测试仪的任意发射通道通过稳相电缆连接至高速示波器的接收通道,被测误码率测试仪设置60 Gb/s,波形为NRZ,码型设置为PRBS7,利用实时示波器测量输入信号的抖动指标[6],测试结果如图7 所示。

图7 示波器抖动指标测试结果图Fig.7 The jitter test result of oscilloscope

在同一个眼图中,重复的数据或时钟边沿不能被有效识别,抖动分量幅度通过示波器测试难以突破单个码元宽度的限制。而对于超出1 UI 大幅度的抖动来说,使用如图8 所示的频谱分析法更为准确,将抖动注入后的信号连接至频谱分析仪,通过分析频率调制信号的频谱确定抖动分量频率和幅度大小。

载波幅度归零是频率调制后时钟信号的重要性质,因此使用贝塞尔“零点法”[7]能够通过频谱仪显示的频谱信息分析出抖动分量的频率和幅度。由频率调制原理可知,当调制系数η和贝塞尔系数J0相等时,载波幅度归零[8]。自小到大的前四个η根植分别为2.40、5.52、8.65 和11.79,根据调制系数和抖动幅度的数学关系,假定抖动信号频率为1 MHz,则第一个载波零点出现在抖动幅度APP为0.76 UI时,此时在时钟频率为28 GHz 时,对应的时域宽度ΔT为27.3 ps。使用贝塞尔“零点法”能够非常准确的测量出抖动幅度APP,其验证结果如图9 所示。

图9 28 GHz 时钟信号加抖后频谱和时域对照图Fig.9 The comparison diagram by spectrum and waveform of 28 GHz jitter clock signal

4 结束语

从正弦信号频率调制的原理出发,提出了一种高动态且参数可调整的抖动信号注入方法,该方法通过对码型发生器输入时钟进行正弦频率调制实现了输出测试信号0.1～10 UI 范围的抖动注入。搭建了正弦抖动注入电路并给出了抖动指标的典型测量方法,通过输出信号的时域和频域对照,验证了大范围抖动频率范围内高精度抖动注入方法的有效性。