JESD204B發射器的三個關鍵實體層(PHY)性能指標

作者:ADI 應用工程師Jonathan Harris


簡介

隨著越來越多資料轉換器中採用JESD204介面,對於數位介面的性能加以關注並進行優化是相當重要的。重點不應只放在資料轉換器的性能上。該標準的最初兩個版本,即2006年發佈的JESD204 和2008年發佈的JESD204A,其額定資料速率為3.125 Gbps。最新的版本為2011年發佈的JESD204B,其列出了3個速度等級,最大資料速率為12.5 Gbps。這三個速度等級遵循三個不同的電氣介面規範,由光互連論壇(OIF)定義。OIF-Sx5-01.0針對最高3.125 Gbps的資料速率,詳細定義了電氣介面規範; CEI-6G-SR和CEI-11G-SR則分別對應最高6.375 Gbps和12.5 Gbps的資料速率,並詳細定義了介面規範。高速資料速率需要更謹慎從設計與性能方面考慮高速CML驅動器、接收器和互連網路,這些元件構成JESD204B介面的實體層(PHY)。

若要評估JESD204B發射器的PHY性能,則需評估一些性能指標。這些指標包括共模電壓、差分峰對峰值電壓、差分阻抗、差分輸出回波損耗、共模回波損耗、發射器短路電流、眼圖範本和抖動。本文將討論三個關鍵的性能指標, 眼圖、浴缸圖和長條圖,這些指標通常用於評估發射器訊號品質。由於訊號必須在接收器端被正確解碼,這些測量亦在接收器端完成。眼圖覆蓋輸出資料傳送的多路採集路徑以產生曲線,以多種參數表示鏈路品質。可透過該曲線觀察JESD204B物理介面的許多特性,如阻抗不連續和不當端接。這僅是評估實體層的一種方法。浴缸圖和長條圖是可用來評估JESD204B鏈路品質的另外兩種重要性能指標。測量單位間隔(UI)時,浴缸圖可直覺表示針對給定眼圖開口寬度的比特誤差率(BER)。單位間隔是JESD204B實體層規範中指定的時間,表示資料傳輸的時間間隔。第三個測量資料是長條圖,表示被測UI值變化的分佈。

該測量資料還可表示被測訊號的抖動量。長條圖、眼圖和浴缸圖可用於表示JESD204B介面實體層的整體性能。本例採用輸出資料速率為5.0 Gbps的JESD204B發射器。該資料速率下發射器的性能由OIF CEI-6G-SR規範詳細定義。

眼圖

圖1顯示5.0 Gbps資料速率的JESD204B發射器眼圖。理想波形與測量波形相互疊加。理想情況下,傳輸應在無過沖或欠沖的情況下瞬間完成,不產生振鈴。此外,決定UI的交叉點應當不存在抖動。如圖1所示,由於訊號在非理想介質中傳輸,存在損耗與不完全匹配的端接,因此在實際系統中不可能獲得理想波形。該眼圖在JESD204B系統的接收器端測得。在到達測量點之前,訊號通過連接器、經長度約為20 cm的差分傳輸線傳輸。這幅眼圖表示發射器和接收器之間的阻抗匹配較為合理,傳輸介質良好且無較大的阻抗不連續產生。它確實存在一定的抖動,但不超過JESD204介面規範中的定義。該眼圖未發現過沖,但由於訊號在傳輸介質中的損耗,上升沿存在微量欠沖。這在訊號通過連接器和20 cm差分傳輸線之後是可以預期的。當訊號存在少量抖動時,UI平均值似乎與大致為200 ps的預期UI值相匹配。總之,該眼圖表示傳輸至接收器的訊號良好,因此,理應不存在恢復內嵌的資料時脈和正確解碼資料的問題。

圖1. 5.0 Gbps眼圖。

除端接阻抗不正確之外,圖2所示眼圖的傳輸介質與圖1中所使用的相同。其造成的影響可從交叉點處以及非轉換區域的訊號抖動量增加看出。許多採集的資料中存在整體幅度壓縮,造成眼圖開始閉合。這種訊號惡化將使得接收器的BER增加;若眼圖的閉合程度超過接收器的容差,則可能導致接收器端的JESD204B鏈路丟失。

圖2. 5.0 Gbps眼圖 – 不當端接。

圖3中的眼圖表示另一種非理想資料傳輸的情況。在這種情況下,在發射器和接收器中間某點上顯示存在阻抗不連續(本例中為示波器)。由圖中可看出性能的惡化:眼圖開口趨向閉合,表示轉換點內部區域正逐漸變小。資料上升沿和下降沿由於傳輸線上的阻抗不連續而嚴重惡化。阻抗不連續還會造成資料轉換點的抖動量增加。一旦眼圖閉合超過接收器解碼資料流程 的能力極限,則資料連結丟失。在圖3這種情況下,許多接收器將可能無法解碼資料流程。

圖3. 5.0 Gbps眼圖 – 阻抗不連續。

浴缸圖

除了眼圖,浴缸圖也可提供JESD204B鏈路上串列資料傳輸的有用資訊。浴缸圖測量的是BER(比特誤差率),隨著眼圖的時間推移,它是採樣點的函數。浴缸圖通過使採樣點在眼圖內移動,並在每個點上測量BER所得。如圖4所示,採樣點越靠近眼圖中心,BER越低。隨著採樣點向眼圖的轉換點移動,BER也隨之增加。給定BER情況下,浴缸圖兩條斜線之間的距離便是特定BER的眼圖開口區域 (本例中為10−12)。

圖4. 5.0 Gbps眼圖 – 浴缸圖測量。

浴缸圖還可提供訊號中總抖動 (Tj)成分的資訊。如圖5所示,當測量點接近或等於轉換點時,抖動相對平坦,且主要屬於確定性抖動。和眼圖測量一樣,浴缸圖的測量基於JESD204B 5.0 Gbps 發射器,訊號通過連接器以及約為20 cm的傳輸線後,對接收器進行測量所得。隨著測量點向眼圖開口中心移動,抖動機制的主要成分變為隨機抖動。隨機抖動由大量的運算處理產生,量綱通常極小。典型來源為:熱雜訊、佈線寬度的變化、散粒雜訊等。隨機抖動的概率密度函數(PDF)一般遵循高斯分佈。另一方面,少量的運算處理產生的確定性抖動可能具有較大的量綱,並且可能互相關聯。確定性抖動的PDF是受限的,並且具有明確定義的峰對峰值。它的形狀可能會改變,且通常不服從高斯分佈。

圖5. 浴缸圖 – 抖動的組成成分。

圖4中討論的浴缸圖的展開圖形見圖6。在5.0 Gbps串列資料傳輸速率以及BER為10−12情況下,該圖表示接收器端眼圖開口約為0.6UI(單位間隔)。

圖6. 5.0 Gbps浴缸圖。

特別需要注意的是,類似圖6中所示的浴缸圖採用的是外推測量。用於擷取數據的示波器根據一系列測量結果,經外推得到浴缸圖。若需使用比特誤差率測試儀(BERT)並獲取足夠的測量數據以建立浴缸圖,則可能需耗時數小時以致數天,哪怕採用最新的高速運算測量設備。

和眼圖一樣,系統中不當端接或阻抗不連續可透過浴缸圖發現。對比圖6,圖7和圖8中的浴缸圖兩端的斜率都較為平緩。此時,BER在 10−12 情況下的眼圖開口僅為0.5 UI,比良好情況下的0.6 UI低了10%。不當端接和阻抗不連續導致系統產生大量隨機抖動。BER為 10−12時,浴缸圖兩側較為平緩的斜率以及收窄的眼圖開口表示系統中有大量隨機抖動。確定性抖動亦有少量上升。浴缸圖邊緣附近的斜率下降再次證明了這點。

圖7. 5.0 Gbps浴缸圖 – 不當端接。

圖8. 5.0 Gbps浴缸圖 – 阻抗不連續。

長條圖

第三個有用的測量資料是長條圖。該圖表示資料傳輸時,所測得的轉換點之間的間隔分佈。與眼圖及浴缸圖測量一樣,長條圖的測量基於JESD204B 5.0 Gbps發射器,訊號通過連接器以及約為20 cm的傳輸線後,對接收器進行測量所得。圖9顯示5.0 Gbps速率時,系統表現相對較好的長條圖。該長條圖表示185 ps和210 ps間測得的間隔大致符合高斯分佈。5.0 Gbps訊號的預期間隔為200 ps,這表示圖中間隔大致分佈在預期值兩側的−7.5%至+5%範圍內。

圖9. 5.0 Gbps長條圖。

如圖10所示,當產生不當端接時,分佈範圍變得更寬,將在170 ps和220 ps之間變動。它將使得分佈百分比變為−15%至+10%,是圖9中的兩倍。這些圖形表示訊號存在隨機抖動,因為它們具有形似高斯分佈的形狀。然而,這些圖形並非真正的高斯分佈,這表示還至少存在少量的確定性抖動。

圖10 .5.0 Gbps長條圖 – 不當端接。

T圖11所示長條圖表示傳輸線上存在阻抗不連續的情況。該圖形一點也不類似高斯分佈,具有第二個較小的波峰。測量週期的平均值也發生了偏斜。與圖9和圖10中的波形不一樣,該波形的平均值不再是200 ps,它偏移至大約204 ps。形狀更似雙峰的分佈表示系統中存在更多的確定性抖動。這是由於傳輸線路上存在阻抗不連續,以及由此造成的預料中的影響。對間隔測量所得數值的範圍再次擴大,雖然不如不當端接情況下所擴大的多。該例中的範圍為175 ps至215 ps,約位於預測間隔兩側的−12.5%至+7.5%。雖然範圍不算很大,但再次強調,其分佈本質上更接近雙峰分佈。

圖11. 5.0 Gbps長條圖 – 阻抗不連續。

結論

透過一些性能指標評估JESD204B發射器的實體層性能是可行的。這些指標包括共模電壓、差分峰對峰值電壓、差分阻抗、差分輸出回波損耗、共模回波損耗、發射器短路電流、眼圖範本和抖動。 本文討論了可用來評估發射訊號品質的三個關鍵性能指標,。眼圖、浴缸圖和長條圖是用於評估JESD204B鏈路品質的三大重要性能指標。諸如不當端接和阻抗不連續等系統問題會嚴重影響實體層的性能。這些影響可透過眼圖、浴缸圖和長條圖中顯示出來的性能惡化觀察到。重要的是保證良好的設計規則,進而正確端接系統並避免在傳輸介質中產生阻抗不連續。系統問題可對資料傳輸產生明顯的不利影響,導致JESD204B的發射器和接收器之間資料連結故障。使用一定的技術避免這些問題將確保系統的正常工作。

參考電路

JEDEC標準JESD204B。 JEDEC固態技術協會,2011年7月。

「應用筆記5989-5718EN。利用時脈抖動分析降低串列數據應用中的BER」。是德科技,2014年7月。

「應用筆記5988-9109EN。數位系統的測量」。gilent Technologies,2003年6月。