抖动测量的基本原理

　　当Altera开始开发自己的40nmStratixIVFPGA时，该公司的工程师在设计与测试前沿的很多方面都面临挑战。用Altera首席架构师兼著名工程师MikePengLi博士的话说，建立40nm器件的动力是要充分利用摩尔定律所表述的技术真理，以在每只芯片中装入更多的逻辑、存储器和接口。

　　Altera首席架构师及著名工程师MikePengLi博士解释说，器件级的抖动必须不断缩小，才能在物理层保持10–12的BER，同时也能在UI不断缩小时提供充足的裕度。“根据摩尔定律，我们能够显著增加StratixIV中的晶体管密度。更高密度减少了单晶体管成本，使我们能够在相同片芯面积中增加器件的功能和容量。但随着单芯片上晶体管数量的增长，以及FPGA被用于超高性能应用，如分组交换机或帧交换机，我们还需要增加StratixIV中的带宽，使数据能够快速地进出器件。”

　　为了做到这一点，Altera必须支持自己客户可能选择实现的多种不同高速I/O，包括多代PCIExpress（PCIe1.1和PCIe2.0）、SerialATA/SAS（3Gbps和6Gbps）、FibreChannel（2.125Gbps、4.25Gbps和8.5Gbps）、40/100Gigabit以太网、CEI/OIF（6G和11G）、XFI（10G）和SFI/SFP+。Li表示：“我们得设计出整个硬件协议栈，使StratixIV能够支持所有不同的标准。”

　　最近，EDN执行编辑RonWilson列举了Altera工程师的很多研究成果，当时他们成功地向市场推出了一款器件，并有望获得EDN的年度创新奖（参考文献1）；事实上，该器件最终获得了“可编程逻辑与快速周转ASIC”类别的年度创新奖。

　　毫无疑问的是，负责测试的Altera工程师成为了开发工作的幕后英雄，没有获得为设计团队颁发的荣誉。但他们的工作非常关键，因为他们要与新工艺尺度下制造的高速串行I/O线较劲，这些工艺将速度推到了商用测试设备可以承受的极限。

　　信号完整性

　　Li指出，随着速度的增长，今天的高速I/O设计正在更富挑战性。他说：“标准要求在物理层有10–12的误码率。随着UI（单元间隙）越来越小，要维持它并提供足够的裕度就越来越困难。其内在含义就是，器件级的抖动必须继续缩减。”

　　Li指出，过去8年多以来，随着晶体管价格的下跌，通信行业选择将自己的资金投在硅片上去实现更高的速度，而不是投于构成通信信道的电缆或PCB（印刷电路板）材料。他表示：“今天硅片完成的功能包括发射器端的预加强和FEC（前向纠错）以及接收器端的自适应均衡等，用于补偿信道中的环境性变动。另外，有些客户希望将BER（误码率）改善到10–15或10–17，这样就可以放弃FEC等功能，从而有可能减少功耗。”

　　据Li称，改善裕度的一个方法是尽量减小发射器的抖动。他说，抖动的一个主要来源是产生时钟信号的RO（环形振荡器）PLL（锁相环）中使用的VCO（压控振荡器）。他认为，ROPLL方案很有用，因为它为客户提供了频率设定上的灵活性。但ROPLL受到其相位噪声的限制，相位噪声会转换为随机抖动。为避免这种情况，Altera在其StratixIV器件上为其高性能PLL提供了一个基于LC的振荡器，代替ROPLL，提供低得多的噪声与抖动。

　　功率完整性

　　Altera特性描述小组的经理BozidarKrsnik称：“除了应对信号完整性的挑战以外，我们还要把大量精力花在功率完整性问题上。客户要求更低功率。通过可编程电源技术等创新，能够在电源裕度缩减时分析和确定电源的性能和作用。”

　　Krsnik补充说：“功率挑战对FPGA尤其显著，”并指出了与ASIC的不同之处，“客户可以在FPGA结构中随心所欲地做东西。他们可以构建出一些极不寻常的最差情况，涉及到电源能级、时钟频率以及器件编程模式。”这就需要Altera的工程师作仔细分析，预测客户会做什么。

　　Altera公司特性描述小组的经理BozidarKrsnik说：“除了解决信号完整性挑战以外，我们还把大量注意力放在功率完整性问题上。客户要求更低的功率。”

　　测量

　　许多测试工作都是由DanielChow负责的，他从2003年起就是Altera的高级技术人员。Chow带领一个团队，确定StratixIV的串行总线收发器的功率完整性和信号完整性，重点是抖动的测量。

　　为了确定高速串行收发器的特性，Altera工程师设计了七种类型的特性板（表1）。采用这些电路板，工程师能够使用到FPGA的所有管脚，包括需要为器件各个子系统提供电源的电源脚。

表1.用于StratixIV的特性板

 　　有些功能出现在不止一块电路板上，尤其是功率完整性，因为功率会影响到一个器件的方方面面。另外，如果Chow不信任某块电路板测得的结果，他可以让一名工程师用另一块板作重复测试。

　　一块能做功率完整性的特性板为FPGA核心、I/O信号、PLL、差分时钟和高速串行收发器提供一个PDN（功率分配网络）。图1表示了一块特性板，工程师用它确定功率完整性和收发器信号完整性。（此为表1中的1号板）。

图1.一块StratixIV信号完整性特性板包含提供对FPGA高速I/O端口接入的SMA连接器

　　图2是测试I/O端口信号完整性和功率完整性的一个典型配置。信号发生器和示波器等测试仪器连接到StratixIV特性板上，提供激励与测量功能。

图2.这是典型的测试设置，显示了用于测试StratixIV上I/O端口信号完整性和功率完整性的仪器。特性板为工程师提供接入StratixIV及其收发器的方法。

　　Chow解释了为什么一个特性板需要每个FPGA功能的独立PDN输入。他说：“根据客户的应用与需求，FPGA可能以最佳性能运行，所有电源层都互相隔离，但这样做并非总有经济可行性。我们必须向客户推荐，FPGA哪些部分可以共享电源资源。我们希望了解电源资源的何种组合可以影响到信号完整性。”

　　工程师们在用StratixIV作设计时可能需要将电源与器件收发器缓冲和PLL隔离开来。Chow指出：“如果电源上有太多动作，就不能永远共享一个电源。电源结构对客户应用和需求有很深的依赖；我们的工作是找到不同电源结构之间的折衷。”

　　Chow和其它人同时用独立电源和公共电源确定收发器的特性。从测试中他们能看到组合电源如何影响到信号完整性。例如，拉低时钟功率的发射器或接收器会在传输的信号上增加过高的抖动。

　　Altera工程师还确定了StratixIV器件在更宽DC电压范围内的特性，其范围宽于公司对客户的建议范围。他们在0.9V至1.4V电压下测试收发器，而后公布的建议范围为1.15V至1.25V，他们还对广泛温度范围和各种半导体工艺角落测试了StratixIV。

　　信号完整性在串行链路中很重要。Altera信号完整性特性板的制造采用了工程师们能找到的最精密PCB材料和SMA连接器。为什么要这么做？因为他们必须尽可能减小走线和连接器可能增加的电压损耗和抖动，这样结果才能代表器件的固有特性。注意图1中SMA至FPGA的距离变化。工程师们用最短走线的SMA连接器，在无电力线噪声环境下测试收发器，尽可能减少了信号的退化问题。

　　在一个宁静无扰的环境下作测试，Altera工程师能了解到一个器件的最好性能水平，但提供的不是真实性能数据。客户使用器件核心、逻辑和I/O部分的方式影响着收发器的性能，尤其是在高数据速率下。因此，Altera工程师们必须确定器件在各种工作配置下的性能。

　　开始时，公司的特性描述工程师并没有简单地去使用每个门和I/O脚。那是一种不切实际的方法，因为没有客户会用到一片FPGA中的每只晶体管。Chow指出：“我们每个客户使用FPGA的方法都不相同。所以，我们会从客户获得样品设计，了解他们使用我们器件的方式。”一旦明白了客户使用器件的方式，Altera工程师们就对客户应用作仿真，但不是立刻动手。

　　Altera工程师们会逐步从宁静环境测试转向实际环境测试。他们可能只从一只收发器着手，然后逐渐打开邻近的收发器，同时查看非加电FPGA核心逻辑电路与I/O脚的串扰与抖动。

　　收发器运行以后，工程师们就开始检查FPGA的I/O脚，同时查看其对PDN和信号完整性的影响。然后，他们接通核心与逻辑部分的电源，并检查收发器的信号。工程师每接通器件一部分的电源，就检查一次功率完整性，查看噪声和电压骤降情况，它们对PLL和信号抖动都有很深刻的影响。

　　Chow工作的核心就是研究抖动，以及确定其特性。他说：“十年前，我们不知道今天所理解的抖动。我们不知道TJ（总抖动）、RJ（随机抖动）、DJ（确定性抖动）、PJ（周期抖动）或ISI（符号间干扰）。随着FibreChannel和XAUI的实用，我们开始了解抖动。MikePengLi第一个懂得，当你规定BER时，只有TJ起作用。”

　　为了测量抖动，Chow和其它Altera的工程师采用了一系列仪器，如来自Agilent技术公司、LeCroy公司和Tektronix公司的实时示波器与采样示波器。在实验室中，工程师还使用Agilent公司的频谱分析仪和Agilent公司与SynthesysResearch公司的BERT（误码率测试仪）。

　　Chow用如此多仪器的原因是，每台仪器都是以不同方式监看抖动。他引用盲人摸象的典故，比喻测量抖动面临的挑战。“假如你是一位盲人，试图从触摸大象的某个部位来识别自己摸的东西。如果你摸到象鼻，你可能认为是条蛇。如果摸到一条腿，你可能认为那是一棵树。如果摸到耳朵，可能认为它是一把扇子。每种类型的仪器都让你看到抖动的一部分。”

 　　他指出，示波器是在时域测量抖动，频谱分析仪是在频域，而BERT使用数字域。Chow用频谱分析仪查看PJ，因为这个抖动分量包含有频率，这种仪器可以很容易显示它。他还喜欢用频谱分析仪测量RJ，因为它能测量相位噪声，并将结果转换为RJ。频谱分析仪还有低的噪声背景，最低为-160dBm，Chow喜欢用它在一个特定带宽下测量RJ。

　　“RJ正在越变越小”，他说，并指出针对SFP和SFP+收发模块的标准都规定了约800fs的噪声。“对StratixIV器件，客户一般可以预期RJ值在600fs和700fs之间。在实验室中，我们能够测量低至400fs的RJ。很少有仪器能测量低于1ps的RJ。实时示波器才可以到这么低。”图3显示了一台采样示波器上的RJ和PJ，其中RJ=566fs。

图3.在10.3Gbps时，StratixIV的一个串行I/O端口实现了566fs的RJ（随机抖动）。感谢Altera公司供图。

　　Chow用一台实时或采样示波器测量DJ、RJ、PJ和ISI。他用一台10–12BER的BERT测量TJ。如果所有抖动测量都正确完成，各抖动分量应近似等于TJ。

　　Chow承认，有些时候抖动分量与TJ并不相符。Chow说：“这些矛盾性有时候来源于仪器，这就是为什么我们必须知道每台仪器如何得到抖动结果，包括硬件限制、软件实现、算法和抖动理论。我们这么做是因为每台仪器都是看到大象的不同部位。当抖动分量不相符时，Chow和他的团队会复核他们的测量过程，可能要用不同的示波器或时钟恢复系统再作尝试。”

　　Chow可能要更换示波器，再作测量，因为当数据速率增加到8Gbps、10Gbps和11.3Gbps时，每种速率得到的结果都不相同。他表示，10年前也遇到过相同的问题，但时至今日，示波器制造商已经改进了自己的仪器，在数据速率高达5Gbps时，抖动值的差别可以在10%内（参考文献2）。在更高数据速率下，Chow看到不同制造商之间的差别在增加。

　　Chow提出了差别的原因：较小的UI，它产生较小的抖动裕度，以及更快的上升与下降时间。Chow说：“仪器制造商不断告诫我们在测量中需要更多带宽。有些厂家建议说我们需要50GHz的采样示波器模块，根据经验法则，我们需要五倍于数据速率的带宽。”但Chow怀疑是否真正能在自己的示波器上看到一个10GHz信号。因为PCB走线和连接器都会减缓一个信号的跃变时间。他指出：“并且设备还非常昂贵。我们的工作是发现要推动的测量标准，以及真正需要哪种设备。”

　　尽管Altera拥有了最新的测试设备，但客户一般却不会有。客户会尝试验证StratixIV的规格，但他们可能缺乏必要的设备。因此，Chow和他的工程师们必须培训现场应用工程师，告诉他们如何正确地完成测量。他曾收到现场报告，说客户用于测量StratixIV抖动性能的示波器没有足够低的背景噪声。客户会声称他们得不到与Altera一致的抖动测量结果；现场工程师必须解释说这个问题出在测试设备或测试设置，而不是器件上。

　　Altera的工程师们确实了解了如何测试StratixIVFPGA及确定其特性。现在，其客户就可以利用该器件的串行I/O能力，用标准化和专有的协议设计与测试通信产品。

　　参考文献

1．Wilson,Ron,“BringinggiantFPGAstoanewnode,”EDNInnovators2009,March2009.p.5.
2．Chow,Daniel,andRansomStephens,“MethodologyforJitterMeasurementCorrelationandConsistency,”ProceedingsfromDesignCon2005.