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Silicon Labs 芯科科技

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【技术干货】进行精准的PCIe 4.0时钟抖动测量

2018-12-20
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随着数据传输速率的提升,相关标准也变得越加严苛。PCI-Express 标准亦呈现了此趋势,从 PCIe Gen3.1 的抖动要求为 1.0ps RMS 开始,到 PCIe Gen4.0 时,其抖动要求已降为 0.5ps RMS。因此,Silicon Labs(亦称芯科科技)最新推出的Si522xx 系列频率产生器和 Si532xx 缓冲器旨在满足并超越PCIe Gen 4.0 标准要求,以协助开发人员设计出市场前沿的产品,占得先机。

 

本篇技术应用文章主要讨论在时域中量测 PCIe Gen 4.0 时所发生的问题及因应之道。遵循应用说明中建议的方法执行将可获得准确的时域结果。本应用的原理可应用于大多数频率式时序解决方案的时域抖动量测,包括 PCIe Gen1/2/3 量测。

 

时钟抖动测量三大关键点:

  • Silicon Labs PCIe 频率抖动工具是一款易于使用的 PCIe 抖动量测软件。

  • 在进行以时间为基础的抖动量测时,即使是最好的示波器也会产生一些噪声。

  • 您可使用以相位噪声为基础的量测来对时域抖动量测进行相关校正。

 

简介

相较于先前的 Gen 3.1 所要求的 1.0 ps rms PCIe Gen 4.0 对于时间抖动的要求是更具挑战性的0.5 ps rms。这种严格的抖动要求需同时提升 PCIe 频率源效能并减少测试设备的抖动量。您可能无法改善测试设备,而在这种情况下,即须确定示波器的抖动,然后从数学方法上着手,进而产生校正和准确的待测装置 (DUT) 量测值。截至撰写本文时,即使是最佳质量的示波器也会为量测结果加入过多的抖动。因此,本应用说明中将介绍第二种方法,即确定示波器抖动并从量测结果中扣除,以尽可能得到准确值。

 

由于量测过程中存在必须扣除的输入放大器噪声及 A/D 频率量化噪声,所以示波器将会引入噪声误差。必须牢记的是,量化噪声会受到输入压摆率的影响,需依每个输入压摆率来分析示波器噪声的特性,例如在分析具有不同效能的 DUT 时。此外,还须完全优化示波器设定。最后,硬件也必须完全优化,其包括印刷电路板、布局、终端方法、电缆长度比对和电源噪声滤波等。

 

我们所建议的最佳方法,首先是使用相位噪声分析仪 PNA 来量测 DUT。在范例中,我们将使用 Keysight E5052。由于 PNA 不会锁定具有大型调变的讯号,因此必须关闭DUT 展频功能。然后透过高速/低噪声数字储存示波器 (DSO) 量测 DUT 时域抖动。在范例中,我们将使用 Agilent DSA90804,同时亦关闭展频。从这些结果中,再使用减去方形的路径计算出示波器抖动。最后,在展频开启的情况下量测 DUT 的时域抖动,并使用 RSS 减法方法再次计算最终的 DUT 抖动。

 

PCIe 时钟时序方案、抖动量测和校正方法

PCIe 具有两种不同的时钟架构,基本上是共享时钟或独立时钟方案。第一种称为共享时钟架构,其中发送侧和接收侧会共享相同的时(请参阅 2.1 共享时钟架构) 。第二个时钟架构涉及两个独立的时钟,称为「没有展频的独立 RefClk(SRNS) 或「具有独立展频时钟的独立 RefClk(SRIS),其中发送侧和接收侧将使用单独的参考时钟(请参阅 2.2 SRNS/SRIS 时钟架构)


2.1.  共享时钟架构          2.2.  SRNS/SRIS 时钟架构

 

在时钟和数据重新计时部分,CDR在两种时序架构中均包括低通滤波器功能。CDR 滤波器将追踪低频并提供正确的时钟和数据校准,但如果普遍导致眼图闭合,则高频率将会通过。两者之间的关键区别,在于共享时钟架构中的噪声是发送和接收 PLL BW 差异的函数。而在 SRNS/SRIS 方案中,参考时钟彼此独立,并鉴于其主要抖动为随机发生,则其对系统的组合影响是个别项的和方根,而导致产生较高的整体抖动这时可能需要时钟噪声较低的解决方案。SRNS/SRIS 亦需校正发送侧和接收侧之间时钟准确度的差异,如此能降低延迟效能。SRNS/SRIS 方法的优点在于其不依赖于时钟共享,也因此不依赖于时钟传输,进而简化了设计,例如当接收和发送部分处于实际上不同的位置时。

 

值得注意的是,由于各种 PCIe H1H2 H3 的要求和定义,共存在 64 种不同的滤波器组合方案。计算这些(甚至单个方案)可能很费力。为了缓解这种情况,Silicon Labs提供了一个 PCIe 时钟抖动工具来大幅简化此任务,并可分析相位噪声量测或时域量测。本应用说明及 PCIe 时钟抖动工具,应运用于正确地量测和确定 PCIe 参考时钟和缓冲区抖动。

 

量测PCIe 抖动时使用的两种方法是时域和相域,每种方法均各有优缺点,但在组合时可以提供高度准确的结果。相位噪声量测被认为是在量测低噪声时钟源(如晶体式振荡器TCXO OCXO)时使用的最准确工具。但缺点是 PCIe 参考时钟相位噪声仅能在关闭展频功能时量测。

 

而时域示波器的优点,则是不论在关闭或开启展频时均可量测抖动。时域量测的问题是具有相对较高的仪器噪声基准,大约为 -140 -145 dBcPNA -170 -180 dBc)。在量测低噪声时钟时,此示波器效能会限制抖动准确度。

 

然而,若先在关闭 SSC 的情况下收集相位噪声数据,然后关闭 SSC 进行时域量测,然后在 SSC 开启的情况下重复时域量测,即可提供高准确度的 PCIe 时钟抖动。之后可透过 PCIE 时钟抖动工具轻松执行收集的数据,最后使用 RSS 减法来校正 DSO 噪声,进而达到准确的抖动量测。

 

2.1 相位噪声量测

应用特定的相位噪声测试设备具有极低的噪声基准,使其成为量测低相位噪声装置(如晶体式振荡器)的选择。在范例中,我们将使用Keysight E5052B。相位噪声是在一系列偏移上量测,下例为对100.000 MHz PCIe 参考时钟的 100 Hz 40 MHz 偏移。在此范例中,相位抖动在 12 kHz 20 MHz 之间积分,得到的结果为 242.895 fs。数据可储存为 CSV 档案,然后可使用 Silicon LabsPhase 噪声对抖动计算器 (https://www.silabs.com/tools/pages/phase-noise-jitter-calculator.aspx) 计算出任何积分频带上的未滤波相位抖动或使用 Silicon Labs PCIe 抖动工具 (https://www.silabs.com/products/timing/pci-express-learning-center) 计算出 PCIe滤波相位抖动。应注意的是,PCIe 时钟抖动工具会预期 PNA .csv 档案是从 10 kHz 扩展至 50 MHz,因为这是 PCI-SIG 规定的积分范围。使用者必须确保 .csv 档案中包含此范围,并在必要时进行外推。


2.3.  PCIe 时钟相位噪声图


相位噪声以偏移范围的约 0.2% 增量进行量测。针对这些离散频率区间中的每一个计算相位噪声功率,得到 bin 值。bin 值是仅在没有相位信息的情况下的振幅值,而快速傅立叶变换(FFT,时域量测的平移)将会包含振幅和相位(请参见下图)。应注意的是,仅以相位杂讯为基础的振幅 I A’ - F’ I 的积分会始终大于以等效时域为基础的振幅加相位量测 I A – F I。因此,以相位噪声为基础的抖动测量(仅量测振幅)是量测时钟抖动时使用的保守且合法的方法。


2.4.  抖动分析

 

PCIe 时钟抖动工具可提供所需的抖动值,将适当的PCIe 滤波器应用于以相位噪声为基础的量测。下面是将各种 Gen 4.0 滤波器应用于 Si52204-A01AGM 参考时钟的范例,其中使用了相位噪声量测和Silicon Labs PCIe 时钟抖动工具。PCIe 时钟抖动工具也可以计算应用 GEN 4.0 滤波器的时域抖动。

 

2.2 示波器噪声量测和校正

在展频开启的情况下,您需使用数字示波器 (DSO) 来量测 PCIe 参考时钟上的抖动,但是示波器噪声可能达到 -142 dBc 的量级,远高于现今时钟产生器和缓冲器的效能。在停用展频功能的情况下量测 PCIe 参考时钟,即可使用上一节中描述的相位抖动量测来校正 DSO 的噪声。下面的等式用于计算 DSO 的抖动噪声。

JDSO = 平方根(JDSO_展频关闭 2 – J 相位噪声 2

公式 1DSO噪声公式

 

在进行量测后,使用下面的公式来校正开启展频的 PCIe 时钟抖动:

JPCIe 时钟 = 平方根(JDSO_展频开启 2 – JDSO2

公式 2PCIe时钟校正公式

 

应注意的是,DSO 附加噪声由两个因素支配:输入放大器噪声和 A/D 的取样时钟抖动。DSO A/D 取样时钟抖动近似不变;然而,输入放大的噪声依赖于压摆率,因此也取决于设定和 DUT。应用使用 - 负载、终止长度等。- 必须尽可能接近实际使用条件进行复制,且须量测感兴趣的 DUT。如需比较具有各种输出压摆率的装置,则需量测 JDSO_展频关闭,并针对每个压摆率/测试条件计算 JDSO。建议不要将单一 JDSO 值用于各种装置和测试条件。下面的等式并非用于量测或确定 DSO 抖动,而是用于展示 DSO 主导的噪声促成因素。

 

DSO 抖动 = 平方根(放大器噪声 2(取决于输入压摆率) + A/D 取样时钟抖动 2

公式 3。主导 DSO 噪声贡献者

 

2.3 抖动校正范例

以下是校正的 PCIe 时钟抖动量测的范例

 

第一步是在展频关闭的情况下量测 DUT 的相位噪声,在本例中的结果如图2.3 PCIe时钟相位噪声图中所示。相位噪声结果亦储存为csv 档案,并在使用 PCIe 时钟抖动工具时汇入。图 2.5以相位噪声量测为基础的滤波和未滤波抖动,展频关闭  显示 H1 H2 滤波器组合之一的未滤波和 PCIe 滤波的抖动结果,对比于以相位噪声为基础的量测的偏移频率的结果。此滤波器组合已知会根据 DSO 结果产生最坏情况下的 SSon 抖动值。


2.5.  以相位噪声量测为基础的滤波和未滤波抖动,展频关闭

 

然后使用 DSO 量测 DUT,在本例中使用 Keysight DSA90804APCIe 时钟抖动工具用于计算 PCIe 滤波的抖动,结果如下图所示。


2.6.  DSO 量测为基础的滤波和未滤波相位噪声,展频关闭

 

当选择 4 MHz/2 dB5 MHz/0.1 dB 滤波器时,以相位噪声为基础的量测结果为0.05 ps rms

 

当选择 4 MHz/2 dB5 MHz/0.1 dB 滤波器时,以 DSO 为基础的量测结果为 0.28 ps rms

 

使用下面的公式,确定 DSO 示波器噪声为 0.27 ps rms

DSO 抖动 = 平方根 (0.282 – 0.052)= 0.27 ps

 

启用 DUT 展频功能并进行 DSO 量测。下图显示使用 PCIe 时钟抖动工具时滤波和未滤波的相位噪声与频率的关系。


2.7.  DSO 量测为基础的滤波和未滤波抖动,展频开启

 

对于 4 MHz/2 dB5 MHz/0.1 dB 滤波器,以 DSO 量测为基础并启用展频的 DUT PCIe 参考时钟得到的最差情况为 0.39 ps rms。使用相同滤波器组合的 0.27 ps 校正因子和下面公式,将可得到 0.28 ps 的实际 DUT 效能。

 

正确的 DUT 抖动= 平方根 (0.392 – 0.272) = 0.28 ps

 

下图显示的范例是使用相同的 4 MHz/2 dB5 MHz/0.1 dB 滤波器(符合 KeysightDSA90804A DSO 规格),-143 dBc 噪声基准产生0.27 ps rms 的积分抖动。


2.8.  滤波和未滤波的 DSO 抖动

 

此范例显示 390 fs 的未校正 DUT 效能与 280 fs 的校正值。此差异可能导致错误故障,建议在进行 GEN 4.0 量测时使用 DSO 噪声校正。这项相同的校正方法可应用于任何高效能时钟量测。

 

结论

在以下情况下,将可获得最准确的时域抖动量测结果:

  1. 优化硬件配置。

  2. 优化测试设备设定。

  3. 在展频关闭的情况下量测相位噪声,并根据需要将估计的读数加至 50 MHz 偏移。

  4. 在关闭展频的情况下,使用适当的 DUT 压摆率加负载来量测时域抖动。

  5. 在开启展频的情况下,使用适当的 DUT 压摆率加负载来量测时域抖动。

  6. RSS 减去步骤 3 4 的结果,计算出测试设备所产生的噪声。

  7. RSS 减去步骤 5 6 的结果,计算出 DUT 效能。

 

如果您对本文件中说明的信息有任何疑问,请联络支持部门:https://www.silabs.com/support

 

若要下载 Silicon LabsPCIe 时钟抖动工具,请参阅网站:https://www.silabs.com/products/timing/pci-express-learning-center


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