隨着JESD204接口更多地被數據轉換器所採用，急需對其性能加以重視，並優化數字接口。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年發佈的JESD204和2008年發佈的JESD204A，其額定數據速率爲3.125 Gbps。最新的版本爲2011年發佈的JESD204B，列出了3個速度等級，最大數據速率爲12.5 Gbps。這三個速度等級遵循三個不同的電氣接口規範，由光互連論壇(OIF)定義。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範；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，並詳細定義了接口規範。高速數據速率需要更爲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、差分峯峯值電壓、差分阻抗、差分輸出回損、共模回損、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。這些指標通常用於評估發射器信號質量、眼圖、浴盆圖和直方圖。由於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採集路徑以生成曲線，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物理層規範中指定的時間，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值變化的分佈。該測量數據還可表示被測信號的抖動量。直方圖、眼圖和浴盆圖可用於表示JESD204B接口物理層的整體性能。本例採用輸出數據速率爲5.0Gbps的JESD204B發射器。該數據速率下發射器的性能由OIF CEI-6G-SR規範詳細定義。
眼圖
圖1表示5.0Gbps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衝的情況下瞬間完成，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，由於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、經長度約爲20cm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爲合理，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接口規範中的定義。該眼圖未發現任何過沖，但由於減緩信號在傳輸介質中的傳輸，上升沿存在微量欠衝。這在信號通過連接器和20cm差分傳輸線之後是可以預期的。當信號存在少量抖動時，UI平均值似乎與大致爲200ps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。該情況下，在發射器和接收器中間某點上顯示存在阻抗不連續(本例中爲示波器)。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於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。圖3這種情況下，許多接收器將可能無法解碼數據流。
圖3：5.0Gbps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)，隨着眼圖的時間推移，它是採樣點的函數。浴盆圖通過使採樣點在眼圖內移動，並在每個點上測量BER所得。如圖4所示，採樣點越靠近眼圖中心，BER越低。隨着採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(本例中爲10-12)。
圖4：5.0Gbps眼圖–浴盆圖測量。
浴盆圖還可提供信號中抖動(Tj)成分的信息。如圖5所示，當測量點接近或等於轉換點時，抖動相對平坦，且主要屬於確定性抖動。和眼圖測量一樣，浴盆圖的測量基於JESD204B 5.0 Gbps發射器，信號通過連接器以及約爲20 cm的傳輸線後，對接收器進行測量所得。隨着測量點向眼圖開口中心移動，抖動機制的主要成分變爲隨機抖動。隨機抖動由大量的運算處理產生，量綱通常極小。典型來源爲：熱噪聲、佈線寬度的變化、散粒噪聲等。隨機噪聲的PDF(概率密度函數)一般遵循高斯分佈。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，並且可能互相關聯。確定性抖動的PDF是受限的，並且具有明確定義的峯峯值。它的形狀可能會改變，且通常不服從高斯分佈。
圖5：浴盆圖–抖動的組成成分。
圖4中討論的浴盆圖其展開圖形見圖6。在5.0 Gbps串行數據傳輸以及BER爲10-12情況下，該圖表示接收器端眼圖開口約爲0.6 UI(單位間隔)。特別需要注意的是，類似圖6：5.0Gbps浴盆圖。
圖6：5.0Gbps浴盆圖。
圖中所示的浴盆圖採用的是外推測量。用於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BERT(比特誤差率測試儀)並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，哪怕採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爲平緩。此時，BER在10-12情況下的眼圖開口僅爲0.5 UI，比良好情況下的0.6UI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爲10-12時，浴盆圖兩側較爲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7：5.0Gbps浴盆圖–不當端接。
圖8：5.0Gbps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佈。和眼圖和浴盆圖測量一樣，直方圖的測量基於JESD204B 5.0Gbps發射器，信號通過連接器以及約爲20cm的傳輸線後，對接收器進行測量所得。圖9表示5.0Gbps速率時，系統表現相對較好的直方圖。該直方圖表示185ps和210ps間測得的間隔大致符合高斯分佈。5.0Gbps信號的預期間隔爲200ps，這表示圖中間隔大致分佈在預期值兩側的-7.5%至+5%範圍內。
圖9：5.0Gbps直方圖。
如圖10所示，當產生不當端接時，則分佈範圍變得更寬，將在170ps和220ps之間變動。它將使得分佈百分比變爲-15%至+10%，是圖9中的兩倍。這些圖形表示信號存在隨機抖動，因爲它們具有形似高斯分佈的形狀。然而，由於這些圖形並非真正的高斯分佈，這表示至少存在少量的確定性抖動。
圖10：5.0Gbps直方圖–不當端接。
圖11所示直方圖表示傳輸線上存在阻抗不連續的情況。該圖形並不類似高斯分佈，而是具有第二個較小的波峯。測量週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200ps，它偏移至大約204ps。形狀更似雙峯的分佈表示系統中存在更多的確定性抖動。這是由於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雖然不如不當端接情況下擴大的多，但範圍卻再次擴大了。該例中的範圍爲175ps至215ps，約位於預測間隔兩側的-12.5%至+7.5%。雖然範圍不算很大，但再次強調，其分佈本質上更接近雙峯分佈。
圖11：5.0Gbps直方圖–阻抗不連續。
結束語
JESD204B發射器的物理層性能可通過一些性能指標來評估，這些指標包括共模電壓、差分峯峯值電壓、差分阻抗、差分輸出回損、共模回損、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的性能指標。眼圖、浴盆圖和直方圖就是用來評估JESD204B鏈路質量的三大重要性能指標的。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，而這些影響可通過眼圖、浴盆圖和直方圖中顯示出來的圖形退化觀察到。保持良好的設計實踐，以便正確端接系統，以及避免在傳輸介質中產生阻抗不連續是非常重要的，因爲這些問題可對數據傳輸產生明顯的不利影響，從而導致JESD204B的發射器和接收器之間數據鏈路故障。如果使用一定的技術避免這些問題，就可確保系統的正常工作。
參考文獻：
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