【導讀】隨著越來越多的數據轉換器中采用JESD204接口，必需更加關注數字接口的性能并予以優化，重點不應只放在數據轉換器的性能上。該標準的最初兩個版本，即2006年發布的JESD204 和2008年發布的JESD204A，其額定數據速率為3.125 Gbps。
OIF-Sx5-01.0針對最高3.125 Gbps的數據速率，詳細定義了電氣接口規范；CEI-6G-SR和CEI-11G-SR則分別對應最高6.375 Gbps和12.5 Gbps的數據速率，并詳細定義了接口規范。高速數據速率需要更謹慎地從設計與性能方面考慮高速CML驅動器、接收器和互連網絡，這些器件構成JESD204B接口的物理層(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、眼圖模板和抖動。本文將討論三個關鍵的性能指標，眼圖、浴盆圖和直方圖，這些指標通常用于評估發射器信號質量。由于信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。眼圖覆蓋輸出數據傳送的多路采集路徑以生成曲線，以多種參數表示鏈路質量。可通過該曲線觀察JESD204B物理接口的許多特性，如阻抗不連續和不當端接。這僅是評估物理層的一種方法。浴盆圖和直方圖是可用來評估JESD204B鏈路質量的另外兩種重要性能指標。測量單位間隔(UI)時，浴盆圖可直觀地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物理層規范中指定的時間，表示數據傳輸的時間間隔。第三個測量數據是直方圖，表示被測UI值變化的分布。
該測量數據還可表示被測信號的抖動量。直方圖、眼圖和浴盆圖可用于表示JESD204B接口物理層的整體性能。本例采用輸出數據速率為5.0 Gbps的JESD204B發射器。該數據速率下發射器的性能由OIF CEI-6G-SR規范詳細定義。
眼圖
圖1顯示5.0 Gbps數據速率的JESD204B發射器眼圖。理想波形與測量波形相疊加。理想情況下，傳輸應在無過沖或欠沖的情況下瞬間完成，不產生任何振鈴。此外，決定UI的交叉點應當不存在抖動。如圖1所示，由于信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，信號通過連接器、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接口規范中的定義。該眼圖未發現任何過沖，但由于信號在傳輸介質中的損耗，上升沿存在微量欠沖。這在信號通過連接器和20 cm差分傳輸線之后是可以預期的。當信號存在少量抖動時，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信號良好，因此，理應不存在恢復內嵌的數據時鐘和正確解碼數據的問題。
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信號抖動量增加看出。許多采集的數據中存在整體幅度壓縮，造成眼圖開始閉合。這種信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數據傳輸的情況。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。數據上升沿和下降沿由于傳輸線上的阻抗不連續而嚴重惡化。阻抗不連續還會造成數據轉換點的抖動量增加。一旦眼圖閉合超過接收器解碼數據流的能力極限，則數據鏈路丟失。在圖3這種情況下，許多接收器將可能無法解碼數據流。
圖3. 5.0 Gbps眼圖 – 阻抗不連續。
浴盆圖
除了眼圖，浴盆圖也可提供JESD204B鏈路上串行數據傳輸的有用信息。浴盆圖測量的是BER（比特誤差率），隨著眼圖的時間推移，它是采樣點的函數。浴盆圖通過使采樣點在眼圖內移動，并在每個點上測量BER所得。如圖4所示，采樣點越靠近眼圖中心，BER越低。隨著采樣點向眼圖的轉換點移動，BER也隨之增加。給定BER情況下，浴盆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 – 浴盆圖測量。
浴盆圖還可提供信號中總抖動 (Tj)成分的信息。如圖5所示，當測量點接近或等于轉換點時，抖動相對平坦，且主要屬于確定性抖動。和眼圖測量一樣，浴盆圖的測量基于JESD204B 5.0 Gbps 發射器，信號通過連接器以及約為20 cm的傳輸線后，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：熱噪聲、布線寬度的變化、散粒噪聲等。隨機抖動的概率密度函數(PDF)一般遵循高斯分布。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，并且可能互相關聯。確定性抖動的PDF是受限的，并且具有明確定義的峰峰值。它的形狀可能會改變，且通常不服從高斯分布。
圖5. 浴盆圖 – 抖動的組成成分。
圖4中討論的浴盆圖的展開圖形見圖6。在5.0 Gbps串行數據傳輸速率以及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浴盆圖。
特別需要注意的是，類似圖6中所示的浴盆圖采用的是外推測量。用于捕捉數據的示波器根據一系列測量結果，經外推得到浴盆圖。若需使用比特誤差率測試儀(BERT)并獲取足夠的測量數據以建立浴盆圖，則可能需耗時數小時以致數天，哪怕采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通過浴盆圖發現。對比圖6，圖7和圖8中的浴盆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，浴盆圖兩側較為平緩的斜率以及收窄的眼圖開口表明系統中有大量隨機抖動。確定性抖動亦有少量上升。浴盆圖邊緣附近的斜率下降再次證明了這點。
圖7. 5.0 Gbps浴盆圖 – 不當端接。
圖8. 5.0 Gbps浴盆圖 – 阻抗不連續。
直方圖
第三個有用的測量數據是直方圖。該圖表示數據傳輸時，所測得的轉換點之間的間隔分布。與眼圖及浴盆圖測量一樣，直方圖的測量基于JESD204B 5.0 Gbps發射器，信號通過連接器以及約為20 cm的傳輸線后，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直方圖。該直方圖表示185 ps和210 ps間測得的間隔大致符合高斯分布。5.0 Gbps信號的預期間隔為200 ps，這表示圖中間隔大致分布在預期值兩側的−7.5%至+5%范圍內。
圖9. 5.0 Gbps直方圖。
如圖10所示，當產生不當端接時，分布范圍變得更寬，將在170 ps和220 ps之間變動。它將使得分布百分比變為−15%至+10%，是圖9中的兩倍。這些圖形表示信號存在隨機抖動，因為它們具有形似高斯分布的形狀。然而，這些圖形并非真正的高斯分布，這表示還至少存在少量的確定性抖動。
圖10 .5.0 Gbps直方圖 – 不當端接。
T圖11所示直方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布，具有第二個較小的波峰。測量周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。形狀更似雙峰的分布表示系統中存在更多的確定性抖動。這是由于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范圍再次擴大，雖然不如不當端接情況下擴大的多。該例中的范圍為175 ps至215 ps，約位于預測間隔兩側的−12.5%至+7.5%。雖然范圍不算很大，但再次強調，其分布本質上更接近雙峰分布。
圖11. 5.0 Gbps直方圖 – 阻抗不連續。
結論
可通過一些性能指標評估JESD204B發射器的物理層性能。這些指標包括共模電壓、差分峰峰值電壓、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、眼圖模板和抖動。本文討論了可用來評估發射信號質量的三個關鍵性能指標。眼圖、浴盆圖和直方圖是用于評估JESD204B鏈路質量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物理層的性能。這些影響可通過眼圖、浴盆圖和直方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，從而正確端接系統并避免在傳輸介質中產生阻抗不連續。系統問題可對數據傳輸產生明顯的不利影響，導致JESD204B的發射器和接收器之間數據鏈路故障。使用一定的技術避免這些問題將確保系統的正常工作。
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