CC BY
105Перевод: Евгений КАРТАШЕВ
Схемы восстановления тактового сигнала
для анализа высокоскоростных передатчиков данных
Все шире распространяются передатчики в проводных каналах связи, работающие со скоростью передачи данных в несколько гигабит в секунду. Хотя системы со скоростью передачи в 40 Гбит/с уже существуют, они пока не распространены. С другой стороны, системы, работающие на скорости 1, 2 и даже 10 Гбит/с уже достаточно широко используются. Основными компонентами системы передачи данных являются передатчик (вероятно, лазер или интегральная схема последовательной передачи), канал (медь или оптоволокно) и приемник. В данной статье описаны проблемы тестирования передатчиков.
В цифровых телекоммуникационных системах самые важные характеристики передатчика тестируются с помощью анализа выходного сигнала во временной области. Для этого чаще всего применяется осциллограф. Высокая скорость передачи данных в таких системах требует, чтобы у осциллографа была очень широкая полоса пропускания, иначе не удастся проанализировать сигнал с достаточной степенью точности. Лучше всего для этих целей подходит стробоскопический осциллограф (иногда также называемый осциллографом эквивалентного времени). В отрасли телекоммуникаций эти приборы коротко назы-
вают DCA (digital communications analyzers) — анализаторами цифровых телекоммуникаций, так как они обладают встроенными функциями измерения параметров высокоскоростных телекоммуникационных сигналов. Полоса пропускания этих приборов превышает 80 ГГц. Однако реальная частота дискретизации существенно меньше 1 Мвыб/с. Такая широкая полоса пропускания, сопровождающаяся очень медленной дискретизацией, накладывает ограничения на то, какие сигналы можно исследовать, а также на систему запуска осциллографа.
На экране осциллографа показывается амплитуда сигнала по отношению ко време-
ни. И, следовательно, требуются какие-то средства задания этого времени. Сигнал запуска используется осциллографом, чтобы точно определить время, когда захватываются данные. Ось Х осциллографа — это время по отношению к событию запуска, а ось Y — амплитуда сигнала. Событием запуска обычно задают достижение амплитудой сигнала какого-либо уровня. Когда осциллограф получает сигнал запуска, он захватывает только одну дискретную точку. Следующую точку он захватит после того, как вернется в состояние готовности к захвату, после чего событие должно произойти еще раз. Возврат в состояние готовности у осциллографа занимает несколько микросекунд. Очень важно запомнить и понять три вышеописанных момента, так как они дают ключ к пониманию того, почему запуск прибора по разным типам сигналов дает разные варианты отображения на экране.
Очень часто для «нагрузки» передатчика используется подача повторяющейся последовательности битов данных прибором, называемым генератором последовательностей импульсов, после чего анализируется выходной сигнал. Этот прибор можно сконфигурировать таким образом, что в дополнение к последовательности битов данных он будет генерировать импульс в начале последовательности. Если этот импульс используется в качестве события запуска для DCA, одна дискретная точка захватывается при подаче на осциллограф каждой следующей последовательности. Чтобы избежать дискретизации сигнала в одной и той же точке, в последовательности добавляют небольшую прирастающую за-
держку между получением события запуска и захватом точки. Если последовательность данных подать многократно, можно будет воссоздать сигналы, генерируемые передатчиком. Таким образом, заявление, что осциллографы эквивалентного времени могут тестировать только повторяющийся сигнал, неверно.
Более распространенный подход — это запуск осциллографа по тактовому сигналу, который синхронизирован с потоком данных передатчика. Этого легко достичь с помощью генератора последовательностей импульсов. При использовании тактового сигнала время между событиями запуска крайне невелико (длительность битового периода при скорости передачи данных более 1 Гбит/с составляет менее 1 нс). Следовательно, главный ограничитель — время возврата в состояние готовности DCA. Для этого требуется несколько микросекунд, затем прибор запускается, а две ближайшие точки на экране в итоге будут захвачены из двух разных частей последовательности битов. Одной выборкой может быть логический 0, следующей будет либо логический 0, либо 1. Сигнал, отображенный на экране прибора, не будет воссозданным сигналом генератора последовательностей импульсов — это будет набор выборок из последовательности, которую он генерирует. Такой тип отображения сигнала называется глазковой диаграммой. Это, пожалуй, самый лучший вариант отображения сигнала для тестирования передатчиков, так как он отражает на одном экране общие параметры передатчика при широком спектре входных условий. Отметим, что при этом варианте тестирования последовательности битов не требуется повторять. Глазковую диаграмму (рисунок) можно построить исходя из абсолютно случайных данных, пока синхронизированный тактовый сигнал запускает DCA.
А что если тактовый сигнал нельзя использовать в качестве регулятора времени? Это очень распространенный случай при тестировании сетевого оборудования. Тактовый сигнал очень редко доступен, если, конечно, оборудование не вскрыто, и пробник не снимает тактовый сигнал с внутреннего тактового генератора. Можно обойтись и без этого — можно выделять тактовый сигнал из части сигнала, передаваемого передатчиком. Схемы извлечения тактового сигнала обычно основаны на петле ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты — phase-lock-loop). Гетеродин, управляемый напряжением (VCO), обычно запускается на частоте, близкой к предполагаемой скорости передачи данных. Часть сигнала VCO направляется на фазовый детектор, сравнивающий его фазу с частью поступающего потока данных. Если частота VCO не совпадает с частотой передаваемых данных, фазовый детектор подаст сигнал об ошибке, пропорци-
ональной разности частот. Этот сигнал используется VCO в качестве контрольного для коррекции частоты (так, чтобы та совпала с частотой поступающего сигнала данных). В результате VCO достигнет важной для нас синхронизации с входящим потоком данных и появится возможность использования его в качестве средства подачи событий запуска.
При восстановлении тактового сигнала из тестируемого необходимо учитывать несколько важных факторов. Поток данных, скорее всего, будет сопровождаться флуктуациями, несколько повышающими и понижающими его штатную скорость. Эти флуктуации часто называют джиттером. Он очень похож по природе на нежелательную частотную или фазовую модуляцию. Если для запуска DCA используется генератор последовательностей импульсов, очень легко оценить уровень джиттера, вносимого самим передатчиком. Если сигнал свободен от джиттера, все переходы от 0 к 1 происходят в одно и то же время. Точка пересечения (X — где переходы от 0 к 1 и от 1 к0 пересекаются) на глазковой диаграмме будет очень узкой. Если в сигнале присутствует джиттер, переходы будут происходить в разное время из-за колебаний скорости передачи данных. На глазковой диаграмме это можно отследить по широкой точке пересечения.
Как же оценить джиттер, если мы будем извлекать тактовый сигнал из потока данных? По сути, нужно сравнить сигнал с самим собой. Джиттер характерен и для сигнала запуска, и для тестируемого сигнала.
Схемы извлечения тактового сигнала VCO можно представить себе в виде ветряной мельницы, которую заставляет крутиться с требуемой скоростью генератор последовательностей импульсов. И происходит ли переход от 0 к 1, или от 1 к 0, VCO есть с чем синхронизироваться. Для VCO очень важно удерживать нужную частоту, даже если переходов нет — например, следует длинная серия 0 или 1. Это достигается размещением эффективного фильтра низких частот между выходом с фазового детектора и контрольным входом на VCO. Это позволяет стабилизировать контрольный сигнал VCO и, следовательно, частоту VCO. Кажется, что чем выше стабильность, тем лучше. Но примите во внимание, что фильтр контролирует также и то, насколько быстро поток данных флуктуирует и позволяет VCO продолжать работать. Когда в потоке данных присутствует джиттер, сигнал об ошибке на выходе фазового детектора будет аналоговым представлением этого джиттера. Фазовый детектор — это эффективный демодулятор джиттера. Так как сигнал ошибки управляет действиями VCO, джиттер, присутствующий в потоке данных, передается на VCO. Если уровень джиттера становится слишком боль-
шим (по отношению к полосе пропускания контрольной петли), слишком быстро изменяющийся сигнал ошибки на выходе с фазового детектора будет отсечен фильтром низких частот. Таким образом, высокочастотный джиттер до VCO не дойдет. Следовательно, ФАПЧ и схема извлечения тактового сигнала, эту ФАПЧ использующая, будет работать только с теми данными, частоты джиттера которого лежат в пределах полосы пропускания фильтра.
Если полоса фильтра очень узкая, на VCO подается очень мало данных. И он приближается к состоянию практически полного отсутствия джиттера. А если полоса фильтра широка — то почти весь джиттер будет передаваться на VCO. Это иллюстрирует необычный эффект, который оказывает полоса пропускания фильтра на ФАПЧ восстановления тактового сигнала. Это, конечно, фильтр низких частот. Но с точки зрения джиттера, наблюдаемого DCA, он обладает эффектом фильтра высоких частот. Наблюдается только джиттер, превышающий полосу пропускания фильтра. Какой же должна быть полоса пропускания фильтра при измерении сигнала передачи данных? На первый взгляд может показаться, что чем уже полоса, тем лучше — это позволяет наблюдать практически весь объем джиттера. Однако в некоторых случаях, когда нужна широкая полоса пропускания.
Представьте, что периодически передатчик взаимодействует с приемником, чтобы установить связь. Приемник обладает схемой, которая определяет логический уровень принимаемых битов данных. Чтобы принимать решения в оптимальное время, даже если данные сопровождаются джиттером, у приемника имеется своя собственная схема извлечения тактового сигнала. У нее должна быть достаточно широкая полоса пропускания, чтобы обнаружить входящий джиттер, но при этом достаточно узкая, чтобы не реагировать на последовательности данных с низкой плотностью передачи. Вследствие этого, приемник достаточно устойчив к не слишком быстрому джиттеру. Если приемник устойчив к низкочастотному джиттеру, имеет смысл тестировать в передатчике наличие высокочастотного джиттера. Следовательно, нам нужна измерительная система, которая отображает джиттер, превышающий полосу пропускания фильтра в приемнике (тот, с которым связывается передатчик). Это достигается тогда, когда полоса пропускания схемы извлечения тактового сигнала из сигнала запуска устанавливается такой же, как у приемника. Иногда этот метод называют запуском с «золотой ФАПЧ». Схема извлечения тактового сигнала на уровне приборов обладает изменяемой полосой пропускания. Это позволяет настроить осциллограф на отражение требуемого спектра джиттера, также как и на режим «золотой ФАПЧ».
1801 технологии
Распространенной проблемой с подобными схемами измерительных приборов является следующая: обычно можно выбирать из небольшого числа вариантов полосы пропускания. Классическая архитектура ФАПЧ, описанная выше, по природе своей узкопо-лосна. Выходной сигнал с фазового детектора (смесителя) будет содержать много паразитных составляющих, которые потребуют фильтрации. Кроме того, обычные VCO имеют ограниченное число диапазонов настройки, что тоже ограничивает количество вариантов скорости передачи данных, доступных для анализа.
Можно создать улучшенную схему извлечения тактового сигнала для приборов, чтобы добиться нескольких десятков вариантов диапазона. Вместо использования классического фазового детектора на базе смесителя используется цифровой подход. Цифровое сравнение потока данных и выхода с VCO позволяет создать петлю, пропорциональную разности фаз. Принципиальное отличие этого подхода от традиционного состоит в том, что он не требует последующей фильтрации. Это позволяет работать с огромным количеством вариантов скорости передачи данных. Однако очень важно использовать сложные полупроводниковые процессы на скоростях, превышающих 13 Гбит/с, с минимальным уровнем собственного джиттера. Другим ключевым отличием является то, что VCO можно перенастраивать в очень широком диапазоне. Для расширения диапазона можно использовать простую цепь делителя, что позволяет достичь скоростей от 13 до 50 Гбит/с.
VCO должен обладать чрезвычайно низким уровнем внутренних фазовых шумов. Фазовые шумы гетеродина и джиттер фазового детектора будут восприняты DCA как джиттер запуска. Этот джиттер случаен и не распространен в сигналах данных. Если бы измеряемый сигнал не имел джиттера, прибор, тем не менее, показал бы, что он есть, так как нарушен тактовый опорный сигнал. При использовании самых передовых СВЧ-технологий в производстве VCO можно добиться уровня остаточного джиттера менее чем 1% СКЗ битового периода даже при скорости передачи данных, превышающей 10 Гбит/с.
Использование схем восстановления тактового сигнала является легким и эффективным методом тестирования высокоскоростных цифровых передатчиков. В зависимости от конечной сферы применения извлечение тактового сигнала из самого измеряемого потока данных может быть более подходящим методом, так как тестируемое устройство проверяется с точки зрения приемника, который будет работать с ним в паре. Будьте внимательны при выборе или конфигурации схемы извлечения тактового сигнала, так как она очень серьезно влияет на результаты измерений. ■
