浴缸抖动 – 黄金抖动测量

8/5/2004,
作者：Guy Foster
　　让我们想象一下，您正面临着把千兆位通信设计转向生产的巨大压力。最后一个问题似乎很难捕捉，芯片之间的高速通信似乎一切正常，但偶尔出现您不能跟踪的误码。眼图看上去足够健康，当然就象以前全功能系统看到的眼图一样。到底发生了什么情况？正常的表面下面是不是掩藏了抖动问题？
　　抖动测量体系大体上可以分成两组：SONET/SDH方法和非SONET/SDH方法。在这两大阵营中，其目标都是找到传送的信号有多少抖动及接收机可以容忍多高的抖动。SONET/SDH抖动测量已经使用了很长时间，但其成本可能非常高，可能很难系统地把信息与特定设备特点关联起来。另一种方法是测量抖动的随机成分和确定性成分或无界成分和有界成分，要求一种实用方法来检查这些成分。
　　眼图为可视化抖动提供了一种优秀的方式。通常在眼图中间判定给定的比特是1还是0。如果我们站在中间，过一会会有一个边沿倾向我们。如果我们愿意等足够长的时间(或抖动足够差)，我们最终会看到边沿完全倾斜、或者边沿超过眼图中心(后沿)、或者边沿出现得太早而发生在中心上或中心前(前沿)。这些情况会导致作出差的判定，而差的判定明显是一种错误。即使优秀的发射机也会发生这种情况。我们只需保证这种情况发生得不要太频繁就可以了。多少频次可以接受取决于目标BER，在实际系统中BER通常是1x10-12。
　　为检验错误发生的频次位于其预计范围之内，很明显应该选择为计算误差而设计的仪器 – BERT (误码率测试仪)。BERT进行判定的方式与接收机相同，其在某个时点上设置判定点，其通常是一个位周期的一半。在这个时点上，其根据进入的比特是高于还是低于预设的电压门限来进行判定。超过判定点位置的前沿或后沿会记录为错误。通过跟踪发生这种情况的比特的比例，可以确定拥有足够幅度、在该判定点位置会导致错误的抖动概率。BERT的一个主要优点是效率高，与取样不足的仪器(如示波器和时间间隔分析仪TIA)不同，BERT对每一个进入的比特取样。但是，我们在这里希望检验发生的不太频繁的项目，即使取样效率为100%，但测量仍会需要非常长的时间。例如，在1 Gb/s系统中，对1x10-12 BER平均每隔1000秒(~17分钟)错误会发生一次，常用作法假设用户需要测量10个或100个错误，然后才会相信测量的某个误差性能。加快测量速度的方式将受到用户欢迎。
　　　　　　 
图1:  眼图实例的交点，说明了多个位路径 (DJ)每个(RJ)上的失真

　　使用眼图作为抖动可视化的方式非常有用。看一下图1中的眼图，我们可以对波形得出多个结论。似乎可以看到多条路径，某些比特的上升沿发生的时间明显不同于其它比特的上升沿。这种情况不是随机性的，而是多次发生，对被测电路来说，码型中的部分序列处理起来比较简便，但某些其它序列处理起来则比较困难，电路使其略微失真。提前到达的比特和迟到的比特转换成抖动，由于这种机制是完全可以重复的，因此这称为确定性抖动(DJ)。另一个观察结果是每条不同的路径都有相关的失真，即使对给定的码型序列，在边沿的到达时间中仍有变化。这和确定性部分分开，同样适用于所有位序列，称为随机抖动 (RJ)。随机流程一般有良性的概率失真。最后一个观察结果是最坏情况的抖动极限可能来自于随机机制(RJ)的尾部，它“叠加”在最坏情况的系统机制(DJ)上。短测试码型如27-1 (‘PRBS-7’, 长127位)经常重复，因此码型的简便部分和码型的困难部分都频繁发生。很可能系统机制极限情况会出现在任何测量中，随机机制有良性的可以预测的失真。可能有某种方式，利用这些信息加快测量速度。
　　BERT和接收机判定电路之间的主要区别之一是，BERT 判定点在时间和电压门限上简便变化。我们不再把判定点固定在眼图中心，而是开始在其中一个方向上在时间上移动判定点(在眼图水平方向上)，以查看会发生什么样的情况。假设眼图相对较好，那么眼图中心应看到非常少的错误。向左移动，我们看到很长时间没有变化，我们几乎没有错误。在我们接近交点时，事情发生了有趣的变化。在我们进入最极端的确定性路径的外部(随机)尾部时，我们开始看到更频繁的错误。如果我们在图上绘制这种情况，把位周期作为‘x’轴，把错误概率作为‘y’轴，那么在这个区域内获得的点应该呈良性概率分布。我们可以对其进行曲线拟合，从能够迅速测量的眼图部分直到耗时太大而不能实现的10-12进行推断。我们现在可以以时间上非常高效的方式，以非常低的概率极限估算抖动性能。从曲线的位置，可以确定其与理想边沿到达时间的偏移程度，进而推导出抖动的确定性部分。把这两部分信息结合在一起，我们可以迅速得到10-12时的总抖动是RJ部分和DJ部分之和。
　　　　　　 
图2: 在10-7 BER周围进行测量及在较低BER上推断抖动性能的浴缸曲线。

曲线中间部分平坦 (大体没有错误)、在每一端曲线急剧上升，形象地说明了为什么把这一图表称为浴缸。通常情况下，Y轴是对数BER。图2说明了在BERT上测得的浴缸曲线的一部分，左边的数字是针对希望的BER进行推断后导出的总抖动(TJ)、随机抖动(RJ)和确定性抖动(DJ)。
　　BERT并不是唯一能够进行这一测量的仪器。基于其它测量原理的仪器也可以用来测量高速边沿的定时，包括实时示波器、取样示波器(DCA)和时间间隔分析仪(TIA)。 测量边沿的到达时间可以构建相同浴缸类型的曲线。在要求以非常低的概率进行测量时，其存在与BERT相同的问题。它需要非常长的时间来采集足够的数据，以10-12概率直接进行测量。由于这些仪器和BERT之间的关键差异(源于取样效率)，这个问题会进一步扩大。这些仪器都取样不足。DCA和TIA提取一个或两个样点，然后安静一段时间，在这段时间其不能进一步采集数据。实时示波器与此类似，它采集一块数据，然后需要时间对数据进行处理，然后才能采集另一块数据。为测量数据效率，我们使用取样速率相当于每千秒兆样点的高速BERT，把它与几千样点(DCA/TIA)或几兆样点的设备(实时示波器)进行比较。这样，使用取样不足的仪器进行测量时，必须进行多得多的推断，才能估算出10-12的抖动。但是只要用来进行曲线拟合的模型及实际采集的数据是精确的，那么仍然是可以进行推断的。人们建立推断模型的方式没有公认的标准，模型通常采用专有模型。没有人规定怎样解决这个问题，但MJSQ1中提供了一些有用的建议。在这一标准中，我们看到根据特定模型使用的数据集会怎样导致明显的不精确性。
　　我们现在拥有优秀快捷的途径进行精确的抖动测量。那么到底是什么原因导致不能使用这些方法呢？在对抖动的随机部分进行曲线拟合时，把其与确定性部分可能导致的任何影响分开非常重要，否则推断效果可能会很差。记住我们在讨论码型长度提到的问题。对快速测量，您需要频繁地进行重复，以保证在测量中捕获这些事件。对PRBS-7，这需要重复许多许多秒。PRBS-31由20亿位组成，因此对每秒千兆位来说，每次需要重复大约2秒。长PRBS码型包含着一长串0及其它序列，这些序列极有可能在容易发生抖动的设备中引起确定性抖动。在每个码型重复中，最糟糕的问题序列可能只出现一次，因此概率很低，可能是十亿分之几。现在，我们在拥有自己的RJ尾部的眼图中有一个发生不频繁的外层。为精确地描述抖动，我们的测量技术必须捕获这一点。这意味着对BERT 测量，我们必须保证我们沿着浴缸曲线测量足够的数据，保证我们捕获了所有确定性活动，并且从RJ推断中去掉了其影响。其它仪器面临的情况有很大差别。对每10亿位才发生的影响，以千赫或兆赫取样的仪器必须在非常长的时间内取样，才能保证捕获进行精确抖动测量所需的全部效应。这给这类仪器提出了一个问题，特别是这些仪器使用其它线索来进行精确推断时。
　　　　　　
图3: 带有底层本底误差的浴缸曲线。

　　图3说明了可能会给迅速测量带来问题的另一种情况。事实上，被测的设备在图2和图3中相同，但在图2中，测量进行的时间不够长，而不能查看在大约10-8时导致本底误差发生不频繁的干扰效应。在这种情况下，被测设备是一台收发机，其受到了附近电路发出的、进入灵敏接收机电子电路中的突破电压的影响。很明显，在这种情况下，低达10-12的抖动的任何推断都是无效的，DJ和RJ的结果是没有意义的。最好检查眼图中心，确定在浴缸初始化前存在本底误差，某些BERT会自动执行这一步。取样不足的仪器很难检测到这种本底误差，因为其需要的测量时间太长。本底误差发生的原因有很多，而不只是抖动。尽管在这种情况下，抖动是基础原因，但在存在低概率幅度变化时，还会出现另一种可能，BERT不能把时间上偏离太远的边沿与幅度上偏离太远的逻辑电平分开。有时，眼图中可能会提供一些线索，因此值得使用示波器查看眼图。 
　　作为一种测试战略，许多仪器提供了优秀的推断结果。TIA和实时示波器特别适合3 Gb/s左右及以下的应用，但对更高的信息速率，只能选择BERT和DCA。尽管BERT能够进行快速测量，其只提取浴缸曲线中较高的点及进行推断，但BERT拥有独特的优势，能够在需要时进行直接测量。对研发应用，可以揭示全面的浴缸测量结果，在指定区域上或指定区域附近提取样点，保证找到以后可能会导致问题的设计隐患。它需要额外的时间，但这是确定设备实际性能的唯一方式。最好在制造中定期进行这种测量，以确保问题不会蔓延。
　　　　　　

作者简历：
Guy Foster出生于英国，他毕业于英格兰伯明翰大学电子专业，获物理学学士学位。之后，他从伦敦大学获集成光器件专业获博士学位。Guy现在加州圣克罗莎市的安捷伦科技公司数字信号分析分部负责通信测试产品的市场推广工作。他过去有许多爱好和兴趣，但现在更多地关注自己的孩子。
参考资料：
1. 光纤通道 – 抖动和信号质量指标使用的方法 – MJSQ, T11.2, 2003年3月10日。附录J – 低概率CDF推断(第193-198页)
2. 结合使用浴缸抖动软件及Agilent 86130A和71612C误差性能分析仪。应用指南1550-12, 2002年12月