用于误码率测试仪的抖动注入技术研究.pdf

2024年2 月第44卷第1期文章编号：10 0 0-7 2 0 2(2 0 2 4)0 1-0 0 6 6-0 5宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementFeb.2024Vol.44No.1.D0I:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.11用于误码率测试仪的抖动注入技术研究贾冒华，童理琼,李秀华,赵显峰,刘?婷（北京无线电计量测试研究所，北京10 0 0 3 9）摘要：对于超高速信息传输系统，信道模型变得不再理想，接入超出抖动容限的信号可能产生极其恶劣的后果。不同信息传输系统的抖动容限也不尽相同，多数系统不能容忍超过0.5UI的信号抖动，而个别系统却可以让超出1UI抖动的信号通行无阻。因此，误码率测试仪在进行超高速信息传输系统的指标评定时，其输出信号的抖动频率和抖动幅度需要精确可控。鉴于传统调节数据相位的抖动注入方式很难突破1UI的范围，从正弦信号频率调制的原理出发，提出了一种高动态且参数可调整的抖动信号注人方法，该方法通过对码型发生器输入时钟进行正弦频率调制来完成输出测试信号的抖动控制，能够实现0.1 10 UI范围的高精度抖动注入，已成功应用于超高速误码率测试仪的研制。关键词：超高速；误码率；测试；抖动注入；频率调制中图分类号：TN98文献标识码：AResearch on Inject Variable Parameter Sinusoidal Jitter Signal forBit Error Rate TesterJIA Maohua,TONG Qiong,LI Xiuhua,ZHAO Xianfeng,LIU Ting(Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement,Beijing 100039,China)Abstract:For ultra-high speed transmission system,the channel model becomes less than ideal,so it can extremelyresult in bad consequences by accessing signals that exceed the jtter tolerance.The jitter tolerance of different informationtransmission systems is also different.Most systems can not tolerate jitter beyond 0.5 UI,while some systems can transmit thesignal with jitter beyond 1 UI.This requires that the bit error rate tester can generate a bad signal with controllable jitterfrequency and amplitude in the evaluation of ultra-high speed transmission system.Traditional jitter injection method ofadjusting data phase is dfficult to exceed the range of1 UI.In the article,we describe a method of inject variable parametersinusoidal jtter signal for bit error rate tester.This method completed the jitter injection of the output signal by sinusoidalfrequency modulation of input clock for the code generator.It achieved the injection effect of o.110 UI jitter range,and hasbeen successfully applied to a ultra-high speed bit error rate tester.Keywords:Ultra-high speed;Bit error rate;Test;Jitter injection;Frequency modulation0引 言数字信号的抖动是其在某个特定时间节点上收稿日期：2 0 2 3-11-2 0；修回日期：2 0 2 4-0 1-2 2作者简介：贾冒华，（19 8 2-），男，高级工程师，硕土，主要研究方向：系统控制和信号处理技术。偏离理想时间位置的瞬时波动,在频域往往体现为频谱的发散,具有一定的随机性。在数字电路中，抖动指标直接影响信号的整体质量，是信号完第1期整性分析中最重要的考核因素之一。对于数字信号传输系统而言，使用者不仅关注系统自身的固有抖动指标,还需要了解其对于不同抖动强度信号的容忍程度。因此，误码率测试仪在进行数字信号传输系统的指标评定时,其输出信号的抖动频率和抖动幅度需要精确可控。抖动注入就是在误码率测试仪的输出信号上叠加可控抖动的技术。1抖动注入原理在误码率测试仪中,码型发生器用于产生包含特定图形信息的串行信号，其输出测试信号的抖动可以近似地等同于输人时钟信号的抖动，如图1所示。抖动-时钟信号一码型发生器图1输入时钟信号与输出测试信号的抖动关系图Fig.1 Jitter relationship between input clock signal andoutput test signal正弦抖动的注入可以看作将时钟信号经过一个正弦频率调制2 的过程,其抖动频率和抖动幅度分别与调制信号频率和幅度一一对应。其基本原理如图2 所示。时钟源FM输人信号fr抖动时钟信号图2 时钟信号抖动注入的基本原理图Fig.2The basic principle of jitter injection forclock signal用于误码率测试仪的抖动注人技术研究号与频率、幅度均可自由调节的FM（频率调制)输人信号进行频率调制，从而产生添加了抖动效果的时钟信号。频率调制过程中调制信号的频率和幅度决定抖动注入后时钟信号的抖动特性，抖动分量频率fiter与调制信号的频率保持一致。抖动分量幅度的峰峰值App一般用单位间隔(UI)来表述3 ,1UI相当于数据信号单个符号位（即一个时钟周期)的持续时间 T,式(1)描述了抖动分量幅度Ap用UI为单位来表述的计算方法。App=(1)T式中：T一单个符号位时间,ps。单个符号位时间T即为码速率的倒数，以32Gb/s为例,T是3 1.2 5ps,那么抖动分量幅度的峰峰值Ap=0.5UI 所对应的时域宽度T为15.6 2 5ps。抖动分量幅度是受正弦调制信号幅度Vpp控制测试信号的,调制后时钟信号的频率偏差和Vp是成线性关系的。抖动注入后的时钟信号可以通过式(2)进行表述。c(t)=Csin2fclkt-ncos(2f i e r t)(2)式中：fclk-时钟信号频率,Hz;n数;file-抖动分量频率,Hz。频率调制系数m由频率调制的频率偏差F和抖动分量频率fiter决定AFm=fjitter抖动分量幅度的峰峰值A，取决于调制系数Ap=2(4)T4-TcLk=1feLk时间67.时钟源是原始的固定速率时钟信号，该时钟信AT频率调制系(3)2抖动注入实现在误码率测试仪中,采用两个时钟源模块来实现时钟信号的抖动注入，其中一个具有频率调制功能,如图3 所示。需要抖动注人时，时钟源1输出一个频率为fcLk的单频时钟信号，时钟源2 输出一个频率为fiter的低频调制信号。用时钟源2 的信号调制时钟源1的频率分量，使得时钟源1输出信号的频率在一定范围内波动,用作码型发生器的工作时钟。码型发生器中各通道采用同一个时钟信号,因此所有通道输出的测试信号都可以实现抖动注人(5)68功能。抖动注人后的测试信号质量已经大大恶化，可以输出到被测件进行抖动容限测试。加抖调频信号一选二信号时钟源1码型产生器开关个正弦调制信号外部加抖时钟源2时钟信号图3 误码率测试仪抖动注入示意图Fig.3 The jitter injection diagram of bit error rate tester如图4所示,时钟源1主体为锁相环架构,采用DDS（直接频率合成器)作为锁相环的参考时钟4),能够提供高精度的频率调节分辨力。如果要获得较小的调谐频率，则需要减小锁相环环路带宽，但是锁相环环路带宽无限制的减小会影响宽带锁相性能,通常采用对锁相环参考时钟进行调制的方法实现窄带频率调制。方案中锁相环环路带宽为20 kHz,需要产生2 0 kHz以内的调谐频率时，由DDS直接产生窄带调频信号,并以参考时钟的方式将调频特性传递至锁相环的输出信号。采用外部调制信号输人时，由AD（模数转换器）对外部调制信号进行采样，得到的数字信号由FPGA（大规模可编程门阵列)进行数字鉴频处理，并转换为频率控制字和相位控制字输送给DDS。当需要宽速率的调制信号时，利用加法器电路将调制信号与比较器输出的压控电压进行叠加后,连接至VCO(压控振荡器)的输人端。基于VCO 的电压/频率转换特性,调制信号给压控电压带来的幅度波动将变为输出信号的频率波动,最终实现对输出信号频率的调制。抖动时钟时钟信号DDS一宽带调制FPGA信号窄带调制信号Fig.4 The functional block diagram of clock generator 1如图5所示，时钟源2 用于提供调制信号，其DDS模块的频率控制字为3 2 bit，幅度控制字为12bit,可以实现高精度的抖动频率控制5。方案中,DDS采样时钟为2.5 GHz,对应的频率分辨力为2.5GHz/232=0.6Hz,幅度分辨力可达0.2 mV。宇航计测技术参考时倍频器钟信号加抖时钟加抖测试波形信号(VCO)信号+NAD图4时钟源1原理框图2024年调制VCODDS-N图5时钟源2 原理框图Fig.5 The functional block diagram of clock generator 2输出时钟信号抖动分量幅度的限制是由调制频率输人幅度Vms、实际输出信号的调制带宽和线性度范围受限所致。调制频率输入幅度V和抖动分量幅度需要通过大量测试进行描述，首先调节时钟源2 调制信号的幅度，再通过时域测量和频率测量方法得到抖动幅度Ap的拟合曲线,如图6 所示，最后将拟合曲线预存于数据库中作为默认抖动注人功能的查询参数,可以实现 0.1 10 UI 范围的抖动幅度控制。3.53.253+2.752.52.2521.751.51.2510.750.50.25000.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0图6归一化频率调制幅度和时钟抖动幅度映射图Fig.6The normalized map of frequency modulationamplitude and clock jitter amplitude如图6 所示,时钟速率为2 8 GHz的条件下,分别在抖动分量频率为50 0 kHz、1M H z、4M H z 和10MHz时使用时域测量和频域测量方法测量出抖动分量幅度峰峰值。归一化频率调制幅度Irm定义如下：FM/jitter式中：Vms调制信号幅度有效值，V;S频率调节灵敏度;fjiter调制信号频率（即为抖动分量频率),MHz。由图6 可得到抖动分量幅度的线性拟合曲线公式如下：Ap=0.45 I rM信号一fjitter=500kHz，灵敏度10 MHz/Vfjiter=1MHz，灵敏度2 0 MHz/V-Ljiler=4MHz，灵敏度2 0 MHz/Vf.jtter=10MHz，灵敏度2 0 MHz/V线性拟合VmSrms(6)第1期3抖动注入测量对于误码率测试仪输出信号的抖动指标，最直观的测试方法是采用高速示波器的脉冲参数测量功能。将被测误码率测试仪的任意发射通道通过稳相电缆连接至高速示波器的接收通道，被测误码率测试仪设置6 0 Gb/s,波形为 NRZ,码型设置为PRBS7,利用实时示波器测量输入信号的抖动指标6 ,测试结果如图7 所示。用于误码率测试仪的抖动注人技术研究显示的频谱信息分析出抖动分量的频率和幅度。由频率调制原理可知,当调制系数和贝塞尔系数J。相等时,载波幅度归零8 。自小到大的前四个根植分别为2.40、5.52、8.6 5和11.7 9,根据调制系数和抖动幅度的数学关系,假定抖动信号频率为1MHz，则第一个载波零点出现在抖动幅度App为0.7 6 UI时，此时在时钟频率为2 8 GHz时,对应的时域宽度T为2 7.3 ps。使用贝塞尔“零点法”能够非常准确的测量出抖动幅度App，其验证结果如图9 所示。69.A/-10MZ2AP抖动注人STOP2LASOOR频域谱形VHistogramx24.08600ns24.10290ns16.90pS1/&X59.17GHz图7 示波器抖动指标测试结果图Fig.7 The jitter test result of oscilloscope在同一个眼图中,重复的数据或时钟边沿不能被有效识别,抖动分量幅度通过示波器测试难以突破单个码元宽度的限制。而对于超出1UI大幅度的抖动来说,使用如图8 所示的频谱分析法更为准确,将抖动注入后的信号连接至频谱分析仪，通过分析频率调制信号的频谱确定抖动分量频率和幅度大小。抖动信号源射频单频信号输人调制输出调制信号图8 抖动校准图Fig.8Jitter calibration载波幅度归零是频率调制后时钟信号的重要性质,因此使用贝塞尔“零点法”7 能够通过频谱仪Markers频谱仪加抖时钟信号START27.080O图9 2 8 GHz时钟信号加抖后频谱和时域对照图Fig.9 The comparison diagram by spectrum andwaveform of 28 GHz jitter clock signal4结束语从正弦信号频率调制的原理出发，提出了一种高动态且参数可调整的抖动信号注人方法，该方法通过对码型发生器输入时钟进行正弦频率调制实现了输出测试信号0.1 10 UI范围的抖动注入。搭建了正弦抖动注人电路并给出了抖动指标的典型测量方输人法,通过输出信号的时域和频域对照,验证了大范围抖动频率范围内高精度抖动注人方法的有效性。参考文献1王东旅.高速串行通信中时间抖动的若干问题研究D.合肥：中国科学技术大学,2 0 11.2冯欢.可快速调频的高稳定度频率合成技术研究D.杭州：浙江大学,2 0 2 0.3徐织锦.码型抖动控制技术研究及实现D.成都：电子科技大学,2 0 18.STOP3.000时域波形.704张珂,杨军,张洪.可编程门阵列直接数字频率合成的抖动注入J.探测与控制学报，2 0 0 9,3 1（3）：56-59.5】胡力坚.基于DDS的任意波形发生器设计与实现D.西安：西安电子科技大学,2 0 0 9.6徐意.10.3 12 5Cbps高速SERDES芯片的测试方法研究宇航计测技术D.成都：电子科技大学,2 0 17.7】陈永红.用贝塞尔零值点法验证抖动发生器输出抖动J.现代测量与实验室管理,2 0 0 6，（0 4）：15-16,3 6.8吴昭春，杨智君,马晓庆.基于贝塞尔零值法的抖动发生装置研究J.仪器仪表学报,2 0 0 7,2 8（0 4）：4-7.2024年宇航计测技术征稿简则一、刊物简介宇航计测技术创刊于19 8 1年，是由中国航天科技集团有限公司主管，北京无线电计量测试研究所与北京航天计量测试技术研究所联合主办的计量测试技术性刊物，国内外公开发行，双月刊。宇航计测技术曾荣获全国、北京市和航天系统优秀科技期刊奖，为中国科技核心期刊、中国核心期刊（遂选)数据库收录期刊、中国科技论文统计源期刊,中国科学引文数据库来源期刊、中国学术期刊综合评价数据库来源期刊,是中国期刊方阵“双效”期刊。二、征稿范围几何量、热学、力学、声学、电磁学、无线电电子学、时间频率、电离辐射、化学、光学等计量标准的设计研制、计量测试技术、仪器仪表的检定维修技术、误差分析及数据处理技术；石英晶体器件的设计和研制、电子技术应用、自动化测量、计量基础、计量产品介绍、国内外计量信息、计量测试动态及发展趋势等。三、栏目设置计量技术综述、理论与前沿技术、量值传递技术、精密测试技术、计量保障技术和计量综合管理等。四、投稿要求1.投稿方式：请登录本刊官网http:/,按提示注册后在线投稿，此网站为编辑部唯一官方网站，谨防假冒，稿件进展和录用情况可通过此平台查询。2.联系方式：为了便于及时准确地联系,请务必注明第一作者和通信作者的详细邮寄地址、电话及Email。3保密审查及版权转让协议：稿件在投稿之前必须进行非密处理，投稿时上传加盖保密管理部门公章的保密审查表及版权转让协议的扫描件，稿件一经录用需将保密审查表和版权转让协议原件寄至本刊编辑部。五、撰写要求1稿件请按“论文模板”格式要求进行编排。论文字数一般不超过8 0 0 0 字，中文题名一般不超过2 0 字。2来稿请附作者简介（姓名、出生年份、性别、职称、学位和主要研究方向等）。若稿件为基金资助项目,请标明基金支持项目名称和编号，将予以优先录用、刊登。3.摘要：中文摘要：以2 0 0 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