Анализ джиттера и глазковых диаграмм в режиме реального времени с помощью осциллографов RIGOL MSO8000/A
Аннотация: В статье рассматриваются методы настройки устройств и каналов последовательной передачи данных с помощью функции анализа джиттера и глазковых диаграмм. Показаны результаты отладки, полученные на цифровых осциллографах RIGOLMSO8000/A
Введение
При отладке устройств формирования и приёма высокоскоростных последовательных протоколов передачи данных инженерам приходится проводить целый комплекс измерений, включающий в себя декодирование и запуск по сигналам, отображение эпюров напряжений, измерение и анализ джиттера, глазковых диаграмм в режиме реального времени. Как правило, для этого необходимы несколько измерительных дорогостоящих приборов, что не всегда рационально с точки зрения бюджета и наличия свободного места. Уникальными возможностями, сочетающими в себе вышеперечисленные функциональные возможности, обладают цифровые осциллографы RIGOLMSO8000/A с предустановленной и активированной опцией MSO8000-JITTER.
Измерение джиттера
Согласно определению Международного союза телекоммуникаций (International Telecommunication Union), джиттер – это кратковременные изменения значащих моментов девиации сигналов во времени относительно их идеального положения во времени. Понятие «кратковременность» означает, что эти изменения имеют частоту большую или равную 10 Гц. Джиттер измеряется по отношению к идеальному источнику тактового сигнала или к самому себе. Так как джиттер содержит случайные компоненты, то для его характеризации используются такие статические значения, как среднеквадратическое отклонение или полный размах.
Цифровые осциллографы RIGOLMSO8000, с установленной опцией MSO8000-JITTER, обеспечивают построение в реальном масштабе времени эпюров напряжения, измерения параметров глазковых диаграмм с функцией восстановления тактовой частоты. Перечисленные возможности позволяют пользователю выявить межсимвольную интерференцию, а также осуществить измерение детерминированного (систематического) джиттера в системах высокоскоростной последовательной передачи данных. Измеряемые параметры: джиттер искажений временного интервала TIE (TimeIntervalError) (Рис. 1), джиттер периода (CycletoCycle), джиттер длительности положительного импульса (+Widthto +Width), джиттер длительности отрицательного импульса (-Widthto -Width).
При измерении TIE текущий фронт в сигнале сравнивается с соответствующим фронтом в идеальном сигнале, определённым функцией восстановления тактовой частоты. Затем все интервалы измеряются на основе идеальной скорости передачи данных для формирования статистики искажений.
При измерении CycletoCycle, сначала измеряется первый период, а затем значение первого периода вычитается из значения второго периода. Все дальнейшие измерения проводятся в соответствии с этим правилом.
При измерении +Widthto +Width, на первом этапе, производится вычитание положительного импульса первого периода из длительности положительного импульса второго периода. Далее, для второго результата измерений, длительность положительного импульса второго периода вычитается из длительности положительного импульса третьего периода и так далее, пока не будут измерены все периоды сигнала.
При измерении –Widthto –Width, на первом этапе, производится вычитание отрицательного импульса первого периода из длительности отрицательного импульса второго периода. Далее, для второго результата измерений, длительность отрицательного импульса второго периода вычитается из длительности отрицательного импульса третьего периода и так далее, пока не будут измерены все периоды сигнала.
Рис. 1 Джиттер искажений временного интервала (TIE)
При измерениях TIE и Cycleto Cycle возможно задать фронт измеряемого сигнала – нарастающий Rising, спадающий Falling, оба Rising и Falling – Either.
Анализ результатов измерений отображается в виде графика результатов тренда и гистограммы.
Доступны следующие способы восстановления тактовой частоты в MSO8000/A:
- восстановление тактового сигнала с постоянной частотой RecoveryType – Constant,
- с помощью фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) RecoveryType – PLL.
Точность формирования тактовой частоты имеет решающее значение в цифровых системах передачи данных. Даже незначительные отклонения частоты тактового сигнала от идеальной влияют на количество возникновения ошибок и прохождение данных по каналу передачи. При измерениях джиттера с помощью TIE, важными инструментами визуализации являются график трендаи гистограмма. На рис. 2 показан периодический джиттер. Жёлтым цветом обозначен тактовый сигнал, а фиолетовым — тренд джиттера TIE. Тренд показывает, что джиттер TIEпериодически накапливается. Это означает, что на тактовую частоту влияет периодический сигнал. С помощью курсорных изменений и распределения TIEможно провести анализ джиттера. Форма и девиация отклонений TIEявляются важными компонентами при определении причины возникновения джиттера. Так как TIEрассчитывается как накопленное изменение периода основного сигнала, то график TIEвыглядит как интеграл изменений периода. Треугольная волна, показанная на рисунках, представляет собой изменение периода в виде меандра. Это важный момент для отладки джиттера сигнала. Тренд TIE показывает, что изменения периода удлиняются линейно (треугольник нарастает), а затем период линейно сокращается (треугольник спадает). Когда TIE линейно увеличивается, период должен быть длиннее ожидаемого периода, а при линейном уменьшении TIE период имеет значение меньше, чем ожидалось. Таким образом, период изменяется между двумя фиксированными значениями. Одно из них чуть выше, а другое чуть ниже ожидаемого периода. В приведённом примере, прямоугольный сигнал с частотой 10 кГц влияет на тактовую частоту. Из гистограммы видно, что это колебание является постоянным, поскольку распределение TIE равномерно и симметрично распределяется между этими значения. Мешающий сигнал показан голубым цветом на рис. 3
Рис. 2 Тренд TIE и гистограмма TIE
Рис. 3 Результат поиска мешающего сигнала с помощью тренда TIE и гистограммы TIE
Другими причинами возникновения джиттера тактового сигнала могут быть фазовые шумы в системах ФАПЧ, флуктуации уровня сигнала, электромагнитные помехи, конструктивные особенности приборов и т.д.
Осциллограф MSO8000, с опцией JITTER, позволяет просматривать статистическую таблицу значений TIE, а также джиттер периода (CycletoCycle), джиттер длительности положительного импульса (+Width o +Width), джиттер длительности отрицательного импульса (-Widthto -Width). В совокупности, эти инструменты определения джиттера позволяют тщательно визуализировать и анализировать проблемы синхронизации в каналах связи последовательной передачи данных (рис.4).
Рис. 4 Пример отображения результатов анализа джиттера на MSO8000
Глазковая диаграмма и качество сигнала
Основной целью анализа качества сигнала является уменьшение количества ошибок данных в канале передачи. Помимо ошибок синхронизации, существуют проблемы, связанные с полосой пропускания, качеством заземления, шумами и согласованием импеданса. Всё это может влиять на то, как информационные биты интерпретируется приемником. Одним из лучших методов визуализации целостности сигнала данных является тестирование с помощью глазковой диаграммы в режиме реального времени.
Глазковая диаграмма — это интерференционная картина, возникающая при наложении большого числа периодов цифрового сигнала. Глазковые диаграммы –это очень удобный способ быстрой и интуитивной оценки качества цифрового сигнала. Правильно построенная диаграмма содержит все возможные последовательности битов, от простых 101 и 010, до изолированных единиц после длинного ряда последовательных нулей и других проблемных последовательностей. Пример формирования глазковой диаграммы приведён на рис.5.
Рис. 5 Пример формирования глазковой диаграммы
Основными параметрами глазковой диаграммы являются:
One – отображает уровень «1»;
Zero – отображает уровень «0»;
EyeWidth – отображает ширину глазковой диаграммы;
EyeHeigth – отображает высоту глазковой диаграммы;
EyeAmplitude – отображает амплитуду глазковой диаграммы;
CrossingPercentage – отображает процент пересечения глазковой диаграммы;
Q-фактор — отношение сигнал/шум;
3σ1 – обозначает джиттер уровня «1», применимое также к фазовому дрожанию перехода от 0 к 1;
3 σ0– отображает джиттер уровня «0», применимое также к фазовому дрожанию перехода от 1 к 0.
Графическое изображение дано на рис.6.
Рис. 6 Основные параметры глазковой диаграммы
Для наглядности, приведём примеры глазковых диаграмм для сигналов с сильными и допустимыми искажениями. Возьмём устройство формирования сигнала с неидеальными характеристиками и начнём его улучшать. Размытость глазковой диаграммы на рис.7указывает на некоторые потенциальные проблемы с сигналом. В зависимости от устанавливаемых пользователем порогов, прибор вычисляет ширину и высоту глаза. Приведенный сигнал имеет ограничение по полосе пропускания, так как наклон переднего и заднего фронтов значительно завалены, по сравнению с идеальным состоянием. Помимо этого, существует некоторая неопределенность в отношении восстановленной тактовой частоты. Из приведённой гистограммы видно, что распределение периода не является гауссовым, что указывает на неслучайную причину сдвига тактовой частоты. Присутствует также некоторый шум, вызывающий колебания амплитуды, что приводит к закрытию глазковой диаграммы по вертикали.
Рис. 7 Пример глазковой диаграммы сигнала с ошибками
После устранения проблем с коммутацией соединительных кабелей, включая разъемы, а также устранения проблем с перекрёстными помехами, мы увидим (рис.8), что глаз начинает приоткрываться. Гистограмма распределения ошибок синхронизации (фиолетовый цвет) становится симметричной, что способствует сужению фазового джиттера.
Рис. 8 Глазковая диаграмма с улучшенным таймингом
После идентификации и удаления близлежащего источника шума, глазковая диаграмма принимает вид, показанный на рис.9. Видно, что увеличились высота и ширина глаза, сигнал стал более чётким. Однако, переходы восходящих и нисходящих битов пока не достигают того же высокого или низкого уровня, что и непереходящие биты. Пока ещё передние и задние фронты имеют наклон около 45°, что является недопустимым и указывает на сохраняющиеся проблемы с пропускной способностью.
Рис. 9 Глазковая диаграмма с улучшенным шумоподавлением
Наконец, после устранения проблем с пропускной способностью устройства и канала передачи данных, на рис. 10 виден достойный результат проведённой отладки. Распределение гистограммы показывает, что были также устранены выбросы в синхронизации сигнала. В итоге, глазковая диаграмма приняла вид, близкий к идеальному с максимальными значениями EyeWidth, EyeHeight, EyeAmp, Qfactor.
Рис. 10 Глазковая диаграмма после комплекса улучшений
Выводы
Разработка и отладка устройств и каналов высокоскоростной передачи цифровых данных является нетривиальной задачей и невозможна без современной аппаратуры, досконально измеряющей и анализирующей джиттер и глазковые диаграммы в режиме реального времени. Осциллографы RIGOLсерии MSO8000/Acопцией MSO8000-JITTERпредоставляют такие возможности потребителям при оптимальном соотношении цена/качество.
Источники информации
- Материалы с сайтаrigol.com
- Материалы с сайтаrigol-shop.ru.
RIGOL MSO8000A Series Digital Oscilloscope User Guide
