安捷伦开放实验室暨测量方案中心安捷伦开放实验室暨测量方案中心 抖动测量方法及其比较 抖动测量方法及其比较 胡海洋 安捷伦科技 随着数据速率的提高，工程师必须能够识别和解决抖动问题但是抖动的测试方法有很多，究竟哪种方法最适合我们的应用，以及各种测试方法的测试原理以及彼此间的区别是什么？本文针对上述问题进行了介绍 抖动测试方法 抖动测试方法 1)浴缸曲线法（误码仪） 衡量系统功能的最终尺度是 BER抖动分析的目标是确定抖动对 BER 的影响，并保证系统 BER 低于某个最大值，通常是 10-12BERT 由码型发生器、误码分析仪和系统时钟组成数据发生器把码型传送到系统器件上器件处理码型，把结果传送到误码分析仪，误码分析仪在已知码型上同步，计算收到的码数，确定哪些码接收错误，计算 BER 图 1 BERT 扫描或浴缸曲线，其中误码率是样点时间位置的函数BER(t). Bit Error Ratio: 误码率 Eye Width at BER = 10-12: BER = 10-12时的眼宽 Time, t, relative to the reference clock: 相对于参考时钟的时间 t 图 1 是 BER 图，它是样点时间位置 BER(t)的函数，这个图称为 BERT 扫描图或浴缸曲线，简而言之，它在相对于参考时钟给定的额定取样时间的不同时间 t 上测得的 BER。
参考时钟可以是信号发射机时钟，也可以是从接收的信号中恢复的时钟，具体取决于测试的系统 图 1 中的时间轴和眼图相同，两侧与眼图边沿相对应，样点位于中心BER 一定时，曲线之间的距离是该BER 上的眼图张开程度在样点接近交点时，抖动会导致 BER 提高到最大 0.5完整的 BERT 扫描测量是直接衡量 BER 一定时眼图张开程度的唯一方法遗憾的是，完整的 BERT 扫描图需要很长的时间，如在 5 Gb/s时需要 30 分钟通过集中在眼图边沿进行部分 BERT 扫描，可以在几秒内，在 10-15%的范围内保守地估算任何 BER 时的眼图张开程度估算技术是一种近似方式，它对 RJ 和 DJ 概率分布去卷积，然后或多或少地使用高斯 RJ，从而计算 BER关键在于，由于 DJ 有界、RJ 是高斯分布，卷积的分布尾部在 BER 下限中遵安捷伦开放实验室暨测量方案中心安捷伦开放实验室暨测量方案中心 守高斯 RJ 分布从高斯分布中推导出的函数，称为互补误差函数，拟合到 BERT 扫描平滑的下降沿上然后可以推断拟合的函数，直到任何 BER 值，以估算眼宽 在 BERT 扫描情况下，通过对 RJ 和 DJ 近似去卷积，可以从眼图交点直方图中估算 BER，这基于这样一个事实，即在远离交点时，抖动分布主要取决于高斯 RJ。
把直方图的尾部与高斯分布匹配起来，提供了一个函数，然后可以在眼图中推断这个函数，并用来估算 BER 一定时的眼宽数据集合和分析与高速取样时间间隔分析仪中基本相同交点直方图拟合的宗旨与拟合 BERT 扫描的宗旨类似，但 BERT 扫描技术的速度和精度都要高得多通过拟合直方图获得的某种高斯形状在一定程度上受到随机波动的影响；BERT 扫描只取决于数据转换是否在样点上波动，而不取决于其波动的精确时间位置因此，使用 BERT 进行测量要比低概率波动强健得多，后者的拟合可能会偏向交点直方图部分 BERT 扫描的拟合速度要比交点直方图的拟合速度快得多，因为 BERT 数据集是在完整的数据速率上采集的，而直方图则是通过以低得多的速率对信号取样构建的 对于高斯 RJ 能否精确地描绘交点直方图或 BERT 扫描的低 BER 的尾部，人们还存在争议这种真正的随机流程会导致抖动，抖动遵守高斯分布并不存在问题，但这些流程可能并不是抖动分布尾部的主要因素问题在于，多种小的效应之和，会构成接近高斯的分布统计理论的中心极限定理体现了这一点：数量无穷大的小流程之和会遵守高斯分布这意味着多个低幅度的 DJ 流程会卷积到一个仅在钟形曲线中心、而不是尾部接近高斯分布的分布函数。
但是尾部才是高斯假设对估算 BER 最重要的地方可能在某些情况下，真正的 RJ 只占似乎是高斯分布的抖动的一小部分如果是这样，那么用来从拟合快速 BERT 扫描测量和直方图拟合中估算 BER 所使用的技术，可能会在总体上高估实际 BER尽管近似方法总是要小心出现错误，但在高斯分布没有很好地描述尾部时，它可能会迫使制造商设计的抖动余量超过必要的水平幸运的是，通过以 BER = 10-12的误码率水平执行全面的 BERT 扫描测量，进而可以把拟合技术与整个测量进行对比，检查这种情况并不难 在当前的各种标准中，1GBE/10GBE 以太网设备以及光纤通道（Fiber Channel）以及其它新的高速总线测试标准，应用误码仪采用浴缸曲线对系统进行误码率测试成为了抖动的最终评价标准使用该方法测试抖动的经典仪表有安捷伦 N490X 系列串行速率误码仪和 81250A 并行误码仪 图 2 采用 BERT 扫描/浴缸曲线法的 N490X 串行误码仪及 81250A 并行误码仪 2）相噪分析法（相噪分析系统/信号源分析仪） 由于抖动也可以理解为相位噪声对时间的积分，因此测试数据信号的相位噪声也是抖动的一种方法。
图 3 是时钟信号的相位频谱密度：每个单位的抖动-频率带宽的均方相位变化它等于单边带(SSB)功率频谱在图 3 中，RJ 提供了频谱中的连续背景，可以理解为闪烁、随机漂移和白噪声成分通过分析相噪频谱，可以识别和分隔不同类型的 DJ：在图 3 中，在低抖动-频率上，60 Hz 拾波及其谐波上升到连续背景上方的杂散信号，大约 2 kHz 上的宽拐角是锁相环滚降点，5 MHz 周围的 PJ 非常明显通过在希望的带宽上求积分，可以从频谱中提取 RMS 抖动 通过使用具有专用相噪功能的频谱分析仪，还可以从时钟信号的频谱中提取 SSB 频谱与相位检测相比，安捷伦开放实验室暨测量方案中心安捷伦开放实验室暨测量方案中心 这种方法有两个系统问题首选，频谱不能区分幅度噪声和相位噪声低噪声、高带宽的限制放大器可以降低这种效应第二，频谱分析仪的滤波形状允许载波附近的某些高幅度噪声泄漏出去另一方面，使用频谱分析仪提取 SSB 频谱的优点是带宽高因此，结合使用抖动频率带宽高达约 100 MHz 的相位检测器与具有覆盖最高时钟频率一半的相噪专用功能的频谱分析仪，可以提供一种强大的抖动诊断工具 图 3 相噪频谱密度/单边带相噪图。
考虑到频谱分析仪本底噪声的问题，安捷伦提供了专用于相噪分析的 E5505A 相噪分析系统和 E5052A 信号源分析仪其特点是相噪测试精度非常高，但由于其受限于抖动测试的量程，通常这种方法只适合于对于测试系统时钟、晶振等对抖动要求非常高的部件和电路 图 4 基于相噪测试法的 E5052A 信号源分析仪 3）鉴相法（传输分析仪） 分析抖动最直接的方法是通过鉴相法，即比较参考时钟和数据恢复时钟的时间间隔误差，从而解调出数据抖动随时间分布的曲线，最终通过标准规定的带通滤波器滤波，得到特定带宽的内的抖动幅度 分析解调的抖动信号或相噪是一种强大的诊断技术可以使用相位检测器解调相位由于相位检测器只能解调时钟信号，要求专门的时钟恢复(CR)电路来分析数据信号为把数据上的抖动传送到恢复的时钟中，而且没有失真，CR 必须有： 安捷伦开放实验室暨测量方案中心安捷伦开放实验室暨测量方案中心 ? 低抖动输出–CR 抖动提高了本底噪声，因为 CR 抖动的响应可能会干扰器件的抖动，而不能完全减去抖动响应； ? 平坦的转函-这样抖动信号不会失真；而且带宽要足够宽，能够在相关的抖动-频段中传送抖动 带宽标准限制着基于相位检测器的系统的分析范围。
在 SONET/SDH 等应用中，这种方法被广泛应用于网络的传输设备抖动测量使用该方法的经典的仪表有安捷伦 37718A 和 J7231B 传输分析仪 图 5 传输网络抖动测试行业标准仪表（37718A 和 J7231B） 2) 眼图测试法（采样示波器） 在所有测试抖动的方法中，眼图法是最直观的抖动测试方法，它主要是利用等时采样示波器（眼图测试仪）从时阈直接测量输出信号眼图（或波形）来获得抖动信息图 6 给出眼图抖动测试的示意图，对于眼图测试法的详细内容请参考《高速数据的抖动》，这里不再赘述对于需要在有限测试时间内对抖动快速作出预期判断的情况，眼图分析是必不可少的使用该方法测试抖动的经典仪表有安捷伦 86100C 数字通讯分析仪（采样示波器） 图 6 描述抖动的眼图示意图及安捷伦 86100C 采样示波器 4）波形分析法（实时示波器） 在较低的数据速率下(如 B<3Gb/s)，可以使用实时示波器捕获连续数据流的一个长段数据集由段中每个数据转换的带有时间标记的交点组成与取样技术或 BERT扫描中的数据不同，数据可以在时域和抖动频率域之间来回变换 可以在抖动-频率域中识别确定性流程， 与相噪分析技术相比，可以隔离时域中的效应，而相噪分析技术则测量功率频谱，而没有完整的合成幅度。
但是，实时示波器上的抖动分析也有自己的缺点：数据集合的数字转换分辨率有限，数据段的长度受到示波器内存深度的限制内存深度有限还具有矩形窗口效应，导致抖动频谱中窄的空信号，限制可以观察到的最低抖动频率将不能分析周期长于捕获长度所发生的抖动效应 5）抖动容限测试（抖动误码仪） 图 7 DSO80000B 实时示波器 安捷伦开放实验室暨测量方案中心安捷伦开放实验室暨测量方案中心 抖动容限衡量接收机在不降低 BER 性能的情况下对抖动的容忍能力它是用于器件的、导致相当于灵敏度降低 1 dB 的抖动的幅度在测试时，首先在没有增加抖动的情况下测量器件的 BER，然后降低信号功率，直到误差始点或直到超过规定的 BER然后把信号功率提高 1 dB，并增加抖动，传送信号得到的抖动幅度就是该频率上的抖动容限容限要求符合一个模板，其中对低频幅度大，对高频幅度小 SONET/SDH 已经很好地定义了频带有限的抖动容限要求，但许多高速异步技术的抖动规范仍在发展对发射机， 根据最新的测试标准 （10GBE， Fiber Channel 及 XFI/XFP） ， 光电器件需要限制发射机色散代价(TDP)，并进行抖动容限测试。
TDP 是必须增加到色散链路中的发射机上的衰减水平，以把 BER 提高到非色散链路中的参考接收机的水平，其样点波动范围为 psTDP 是一种限制抖动输出的方法对接收机，将执行受压眼图接收机灵敏度测试，检验接收机在接收可以允许的最坏情况信号时，能否在低于 10-12的 BER 水平上运行测试信号设计成模拟各种极限条件，包括 RJ、DCD、ISI 和 PJ与 SONET/SDH 中一样，抖动容限测试作为增加的抖动-频率的函数，但它还包括其它极限条件 相对于原先复杂昂贵的自建测试系统，安捷伦最新推出的 N4903A 抖动误码仪内置了经过校准各种抖动信号，使得抖动容限测试更简单方便 图 8 N4903A 抖动误码仪压力眼图测试的最佳选择 抖动测试方法的比较 抖动测试方法的比较 不同的抖动检定方法具有不同的优点，其提供的结果可能很难比较，因为它们通常系统地测量不同的项目，表 1 给出了各种不同抖动分析方法和工具的特点 良好定义的一致性测试必须允许进行普遍比较SONET/SDH 是比较成熟的抖动标准，它可以在不同测试集合的本底噪声和复现度指标内部，比较单独的频带有限的抖动输出和容限指标但是，新兴技术中（如FB-DIMM, PCI-E, Fiber Channel,CEI），规范需要比较衡量不同抖动条件下的结果。
例如，在 BERT 扫描中，从眼图张开测量中得到的总抖动完全不同于简单的峰到峰抖动测量比较微妙的比较是把从 BERT 测量中推断得出的 BER 与 BERT 和取样示波器或 TIA 上测量的结果分开。