JESD 204B 資料轉換器醫療電子 PHY 振盪器 OIF BER 眼圖

把關訊號品質　JESD 204B量測確保發送器效能

2013-01-07

Jonathan Harris

隨著JESD 204介面持續被使用於資料轉換器中，其數位介面性能的最佳化設計也日益受到關注。JESD 204介面標準的前兩個修訂版本，分別為2006年的JESD 204及2008年的JESD 204A，資料速率皆設定在3.125Gbit/s。

在2011年所發表的最新修訂版本JESD 204B則列出三種速度等級，其最大資料速率為12.5Gbit/s。

這三種速度等級由光學互聯網路論壇(OIF)制定的三種不同的電氣介面規格加以規範。其中，OIF-Sx5-01.0詳細說明資料速率為3.125Gbit/s的電氣介面規格；而CEI-6G-SR及CEI-11G-S則分別說明適用於資料速率達到6.375Gbit/s與12.5Gbit/s的規格。高資料速率的JESD 204B介面的實體(PHY)介面，須由高速CML驅動器、接收器及互連網路組成，並須優化其性能與設計。

JESD 204B效能評估指標多

若要評估JESD 204B發送器的PHY性能，須掌握幾項性能指標，包括共模電壓、差動峰值對峰值電壓、差動阻抗、差動輸出迴授損失、共模迴授損失、發送器短路電流、眼圖遮罩及抖動(Jitter)。本文將專注於一般用於評估發送訊號品質的三項關鍵性性能指標：眼圖、浴缸圖(Bathtub Plot)及長條圖。這些量測皆以接收器的角度進行，因為那是訊號須能被適當解碼之處。

眼圖會覆蓋多個輸出資料轉換的蒐集結果，藉以建立一個能提供許多連結品質指標的圖表。這種圖表可用來觀察JESD 204B實體介面的各種特性，如阻抗不連續性及不適當的終止等，這只是能用來評估實體層的其中一種方法。浴缸圖將對於指定量測單位間隔(UI)中特定眼寬開放區內的誤碼率(BER)，以視覺化方式呈現，單位間隔是在JESD 204B實體層規格中所設定的指定時間，能提供資料轉換間的時間量。長條圖也是標示出現在受測訊號中的抖動量。目前具5.0Gbit/s輸出資料速率的JESD 204B發送器已上市，對於具有此資料傳輸速率的發送器性能，OIF CE-6-SR規格有詳細說明。

眼圖解碼JESD介面資料訊號

圖1所示為具有5.0Gbit/s資料速率的JESD 204B發送器眼圖，理想的波形被重疊在測得波形的上面。理想狀態下，轉換應該幾乎是瞬間完成，不會有過調節或是調節不足的狀況，且也不會有任何的振鈴。除此之外，決定UI的交叉點上不能有抖動。

圖1　5.0Gbit/s的JESD 204B發送器眼圖

理想的波形在真實系統中無法實現，這是因為具有耗損與終止的非理想傳送媒體無法完全匹配。此處所展示的眼圖是在JESD 204B系統中的接收器上所量測的結果。訊號透過連結器被發送出去，而且到達量測點之前具有大約20公分(cm)的差動傳輸線路。圖1眼圖指出發送器與接收器之間的合理阻抗匹配，以及沒有大量阻抗不連續性的良好傳送媒體，此圖表不會顯示抖動量，但是不會超過適合JESD 204介面的規格。

另外，眼圖不會顯示任何的過調節，但在振鈴邊緣會有少許的調節不足，這是因為訊號通過傳送媒體時減慢。在通過連結器與20公分的差動傳輸線路後，這是可預期的。平均UI看起來會與預期UI在大約200毫微微秒(ps)處匹配，訊號會有少量的抖動。總體來說，眼圖說明進入接收器的良好訊號應能很輕易將其嵌入式資料時鐘予以恢復，並且適當的將其資料解碼。

圖2中眼圖所呈現的結果與圖1大致相同，除了終止阻抗不正確之外，其影響可透過在交叉點及在非轉換區域的訊號中出現抖動量的增加而觀察到。總體振幅會被壓縮在許多個資料蒐集結果中，使得眼圖開始呈現接近的狀態。降級會導致接收器中BER的提高，而且假如眼區的接近程度超過了接收器的可容忍範圍，那麼就很可能會造成接收器中JESD 204B連結的耗損。

圖2　不適當終止的5.0Gbit/s眼圖

圖3中的眼圖呈現的是資料非理想傳送的另一種狀況，在這個狀況中阻抗不連續性會出現在發送器與接收器的中間(此情況為一組振盪器)。由於性能的降低，因此可在圖中看到眼圖開放區較為接近，此意味著轉換點內的區域正在縮小。資料的振鈴邊緣及下降邊緣會嚴重的降級，這是因為在傳輸線路上阻抗不連續性的反射所導致。阻抗不連續性也會使得在資料轉換點上所觀察到的抖動量增加。一旦眼區的接近狀態超過接收器將資料串流予以解碼能力的限制，資料連結就會失去。在圖3的狀況當中，很可能有許多接收器都無法將資料串流予以解碼。

圖3　阻抗不連續性5.0Gbit/s眼圖

浴缸圖呈現BER與抖動量測結果

浴缸圖對JESD 204B連結序列資料傳送的品質也提供很有用的深入觀察。浴缸圖是對BER的量測方法，為取樣點隨著時間移動通過眼圖的函數。浴缸圖是藉由移動取樣點通過眼圖並量測在每個點上所獲得的BER而製作出來。取樣點越接近眼圖中心時，BER就會降低。當取樣點越接近眼圖中的轉換點，BER就會增加。在特定BER下介於浴缸圖兩條斜線之間的距離就是在指定BER下的眼圖開放度(在此情況下為10¹²)。

浴缸圖也能夠提供出現在訊號抖動(Tj)元素的相關資訊(圖4)。當量測點接近或是位在轉換點上的時候，曲線會相對平坦，而主要抖動元素就是確定性抖動。就如同眼圖量測方法一樣，浴缸圖來自於在JESD 204B 5.0Gbit/s發送器上的量測，在通過連結器與大約20公分的傳輸線路後於接收器上量測而得。

圖4　浴缸圖抖動元素測試結果

當量測點移動至接近眼圖開放區的中間時，主要抖動的機制為隨機抖動，隨機抖動是大量處理程序的結果，通常強度都很小。其來源一般而言會包括熱雜訊、走線寬度的變化、散彈雜訊及其他等。隨機抖動的概率密度函數(PDF)通常會遵循高斯分布(Gaussian Distribution)。另一方面，因為少量處理程序而造成的確定性抖動可能會具有較大的強度，而且也往往不會是獨立的。確定性抖動的PDF有所限制，而且具有良好定義的峰值對峰值數值，其外型可能會改變，而且往往不是高斯分布。

圖5所示為浴缸圖擴展視圖。其呈現的是具有10¹²BER、5.0Gbit/s序列資料傳送的接收器，約0.6UI的眼圖開放度。重要的是，圖5這樣的浴缸圖是一種推斷式的量測，用來擷取資料的示波器會執行整套的量測，並據以推斷浴缸圖。假如要使用誤碼率測試儀(BERT)並蒐集足夠的量測結果來建立浴缸圖，可能會耗去數小時甚至數日，即便是以現今的量測設備進行高速運作亦然。

圖5　5.0Gbit/s浴缸圖

就如同在眼圖當中，系統中不適當的終止或是阻抗不連續性也可以在浴缸圖中觀察出來。對於10¹²的BER，這兩種狀況的眼圖開放度都只有0.5UI，比0.6UI的良好狀況低10%以上。在BER為10¹²狀況下，不適當終止及阻抗不連續性會讓系統產生大量的隨機抖動，這點可以藉由浴缸圖兩端斜率的降低以及眼圖開放度的減少證明，同時確定性抖動也有少量的增加，這點也仍然可以藉由接近浴缸圖邊緣斜率的降低證明。

長條圖以高斯分布為判定基準

第三種有用的量測方法就是長條圖。這種圖表會呈現出在資料傳輸中轉換點之間量測期間的分布狀況。就如同眼圖與浴缸圖的量測方法，長條圖來自於JESD 204B 5.0Gbit/s發送器上的量測，在通過連結器與大約20公分的傳輸線路後於接收器上量測而得。

在長條圖中大致呈現高斯類型的分布，以介於185?210ps的期間量測。對於5.0Gbit/s訊號的期望區間應該是200ps，此代表的是分布狀態大約在期望值的-7.5～+5%間。

當不適當的終止情況被導入時，分布狀態會變得較為寬廣，介於170～220ps間，這會使變異的百分比增加至-15～+10%；雖然其量測圖形極接近高斯分布的外型，故大部分的隨機抖動出現在訊號中，然而，由於其外型本質並非真正的高斯分布，因此點出至少還有少量的確定性抖動。

圖6的長條圖呈現在傳輸線路上具有阻抗不連續性的結果。分布的外型一點也不像高斯分布，而且還發展出一個小小的第二隆起。量測期間的平均值也有所偏斜，且平均值不再是200ps，而是移動到大約204ps處。越多的雙峰分布代表系統中有越多的確定性抖動，這是因為出現在傳輸線路上的阻抗不連續性造成，而這也是對系統帶來的可預期衝擊，且該期間量測值的範圍也會擴大，雖然不會像不適當的終止狀況中那麼多，在這個情況下，其範圍是從175～215ps，大約是期望區間的-12.5～+7.5%範圍。雖然範圍並不是很大，但是其分布狀態在本質上是更加呈現雙峰分布。