Tektronix Titreşim Ve Karışma

Seri veri standartları PC ve sunucu sistem performanslarını çarpıcı bir şekilde geliştirerek hızlıca çoğalmaya devam etmektedir. Bu yüksek hızlı standartların, jitter ölçüm amacıyla gerçekleştirilen testlerinde uzun dönem kararlılık ve tasarımda amaçlanan iyi bir Bit hata Oranını (BER) elde etmek kritiktir. Etkin analiz doğru cihazların seçilmesiyle başlar ve cihaz gürültüsü, yükselme zamanı ve 3'ncü, 4'ncü, 5'nci harmonik performansı gibi faktörleri iyi derecede anlamayı gerektirir.

Fakat etkin analiz sadece ölçüm almaktan daha fazla anlam taşımaktadır. Uygun cihazların uygun analiz araçları ile eşlenmesi gerekmektedir. Jitter ayırma, çıkarma/yerleştirme gibi diğer faktörler de aynı zamanda 8Gb/sec üzerindeki seri veri hızlarının testinde önemli noktalardır. Bu makalede, sistem performansını artırmak için paralel veri kanallarının sayısı artırdıkça, karşımıza gittikçe büyüyen bir problem olarak çıkan crosstalk problemlerinin varlığında jitter analizini ele alacağız.

Zamanlama bilgisini göstermek için seviye geçişlerini kullanan tüm elektriksel sistemler belirli bir zamanlayıcı jitter değerine sahiptir. Tarihsel olarak elektriksel sistemler zamanlayıcı jitter değerini azaltmak için düşük sinyal hızlarında çalıştırılmışlardır. Veri 8 Gb/sec üzerine çıktıkça jitter oranı sinyal aralığının dikkate değer bir yüzdesini oluşturur ve titreşimin türlerinin ve kaynaklarının anlaşılması yüksek-hızlı seri teknolojilerin başarılı bir şekilde dağıtımını için hayati önem taşımaya başlar.

En basit anlamda jitter Şekil 1'de gösterildiği gibi bir kenarın olması gereken yerden sapmasıdır. ITU tanımlamalarına göre jitter "bir dijital sinyalin zamanla kendi ideal konumunun anlık kısa süreli bir şekilde önemli değişikliklere uğraması" olarak tanımlanır.

Şekil-1 Titreşim bir kenarın olması gereken yerden sapmasıdır. Tek bir dalga formu üzerindeki periyodik jitter, çevrim-çevrim jitter ve zaman aralığı hatası (TIE) dâhil olmak üzere farklı jitter ölçüm tipleri vardır ve tasarım genellikle ölçüm uygunluğunu belirleyecektir. Bağımsız bir osilatör durumunda sinyal bir saat sinyalidir ve bu sinyalin frekansında atlama veya bir frekans aralığını tarama söz konusu olabilir. Bir seri veri iletimi durumunda ise sinyal bir veri akışıdır ve ISI (sembol-arası karışma) çok önemli bir problemdir. Burada TIE jitter uygun ölçümdür.

Jitter problemleri üzerinde çözüm arayan bir mühendis her birinin güçlü ve zayıf yanlarının olduğu mevcut bir takım cihazlara sahiptir:

· Bir gerçek zamanlı dijital hafızalı osiloskop tüm dalga formunu yakalar, herhangi bir ölçüm gerçekleştirebilir ve TIE, çevrim-çevrim, periyodik jitter ölçümleri için kullanılabilir. Maalesef frekans (veya bit hızı) ve spektra çözünürlüğü, dakika jitter ve çok-seviyeli modülasyon konularında bazı kısıtlamalara sahiptir.

· Bir BER test edicisi (BERT) TIE titreşimi için özellikle de bir TIE formu olan TJ veya toplam jitter için çok uygundur. BERT'in avantajı her bir biti saymasıdır ancak testlerin gerçekleşmesi vakit alabilir.

· Gerçek zamanlı bir spektrum analizörü (RTSA) mobil aygıtlar için karmaşık modülasyonlu çevrim-çevrim ve periyodik jitter ölçümleri için ve saatlerin, PLL'lerin gözlemlenmesi ve onların dinamik performansının anlaşılması için kullanılabilir. Kısıtlamalar yayılım (sub-100 MHz) ve geniş modülasyon spektrumlu bant genişliği sinyallerini kapsar.

· Eş jitter zamanlı örnekleme osiloskopları en iyi bant genişliğini sunar ve seri veri için bütün titreşim ölçümlerinde kullanılabilir. Günümüzde bunlar sadece gürültü analizli ve bir BER gözlü cihazlardır. Kısıtlamalar hiçbir gerçek zamanlı yakalamayı kapsamaz ve sadece tekrarlı desenler için kullanılabilir ayrıca bazı jitter spektraları isimlendirilmiştir.

Sık gündeme gelen bir soru "Eğer asıl ilgilendiğimiz bit hata oranı BER ise niçin jitter ile ilgili kaygılar mevcuttur?" sorusudur. Nedeni jitter problemlerinin eye diagram genişiğini daraltarak BER hatalarına sebep olmasıdır. Jitter ve gürültü analizleri BER'deki problemleri hızlıca tahmin ve analiz etmemize imkân sağlayacak basit araçlardır. Sonuçta o tüm bu hatalar ile ilgilidir ancak bir tasarımda bu hataların ortadan kaldırılması aşırı jitter nedeninin veya nedenlerinin anlaşılmasını gerektirir.

Başlangıç noktası kapsamlı bir BER perspektifinden sistemin nasıl çalıştığının anlaşılmasıdır. Osiloskop bunu sınırlar değiştikçe sonuç çizelgesinin biçimi nedeniyle isimlendirilmiş bir "bathtub" çizimi oluşturmak amacıyla eye diyagramlarını ve istatistiksel analizleri kullanarak başarır. BERT cihazı ile gerçekleştirilen sonuç her bir bitin tam sayısından itibaren sonuçlanan bir jitter tepe grafiğidir.

Şekil 2'de gösterildiği gibi sol taraftaki BERT'den itibaren jitter tepesi ve osiloskop jitter bathtub çizimi hemen hemen tam olarak eşdeğerdir.

Şekil 2: Sol taraftaki BERT jitter tepesi ve sağa taraftaki osiloskop jitter bathtub'u arasındaki BER performansının eşdeğer görünümü.

Sonuçlardaki yakın hizalamaya bakılırsa, BER kullanılarak gerçekleştirilen BER=10-12 'ye TJ ölçümü saatler alabileceğinden ve sonuçta jitter'a neden olan problem çeşitlerini ortaya çıkaramayacağından dolayı osiloskop BERT için oldukça kullanışlı bir tamamlayıcıdır. Osiloskop akıllı bir yöntemle küçük bir veri miktarını ölçebilir ve daha sonra genellikle şekil 3'de gösterilen onaylanmış jitter modelini takip ederek jitter bileşenlerini gösterebilir. Osiloskop varsayımlar yaparak, BERT cihazlarının zamanın belli bir kesimi için yaptığı TJ@BER hesaplamalarını yapabilir. Bütün komplex sistemler varsayımlar ve basitleştirmeler yapar. Bu yüzden modelleme ve gerçek sistem davranışı arasında farklılık olacaktır. Yazının devamında da belirtildiği üzere bu konudaki en zorlayıcı problem crosstalk'tur.

Şekil 3. Endüstrinin jitter modeli 2001-2010

Crosstalk problemi

Performans hedeflerini yakalamak için birçok seri sistem çoklu yollar kullanır. Frekanslar ve data hızları 10 Gb/s'yi geçerek arttıkça, küçük bir crosstalk miktarı jitter toleransını aşabilir ve zamanlama problemlerini ortaya çıkarabilir. Bir sinyal komşu bir sinyal tarafından etkilendiğinde crosstalk oluşur. Yüksek veri hızlarında bir sinyal basit bir DC akımdan ziyade yönlü bir dalga gibi yayılı. Bu dalga iletken yol tarafından yönlendirilir fakat genellikle FR4 olarak dielektrik bir ortam üzerinden yayılır.

Birden daha çok sinyalin mevcut olduğu durumda devre üzerindeki her yol, diğer yollardaki sinyallerden etkiler içerir. Terminolojide buna "saldırgan bir sinyal kurban sinyal üzerinde crosstalk oluşturuyor" şeklinde ifade edilir. Bir saldırgan sinyal kurban sinyali yönlendiren iletken tarafından toplandığı zaman parazit oluşumu meydana gelir. Kapasitif kuplajın çok büyük olduğu konektörler gibi pcb üzerindeki kaçınılmaz faktörler crosstalk üreten antenler gibi davranırlar. Gerçek zamanlı örnekleme ve eşdeğer zamanlı örnekleme osiloskopları çeşitli titreşim bileşenlerini ayırmak amacıyla spektral-tabanlı jitter analiz tekniklerini kullanır.

Frekans bileşenlerinin isimlendirilmediği gerçek zamanlı örnekleme ekipmanı üzerinde jitter ve gerilim gürültü spektrası keskin çizgilerden ziyade geniş rezonans şekilleri içerisine yayılmış alt-harmonik tepelerine sahiptir. Eşdeğer zamanlı örnekleme osiloskopu gibi spektrumun isimlendirildiği bir ekipman üzerinde crosstalk sürekli bir gürültü olarak gözükür. Her iki durumda da jitter spektrum sürecini bütünleştirerek rastgele titreşimi (RJ) ölçen spektral tabanlı titreşim analiz teknikleri, crosstalk zamanlama etkileri ile birlikte RJ'yi abartılı gösterir. Bu durum RJ'de bir artışa ve TJ'nin normalden yüksek tahmin edilmesine neden olur.

Şekil 4'te osiloskop ile büyük miktarda bir crosstalk'a sahip test ünitesinin jitter ölçümleri gösterilmektedir. Şekil 4. Bir BERT'e nazaran osiloskoplardaki TJ hatası.(not: RTO = gerçek zamanlı osiloskop, Sampling = eşdeğer zamanlı osiloskop) Crosstalk sınırlı bir yayılım izlediğinden dolayı osiloskoba sınırlı ilişkisiz jitter veya BUJ olarak görünür. Yayılımın sınırlı doğasının anlaşılması veri deseninin karmaşıklığı nedeniyle zordur. 1 ve 0 ların görünüşteki rasgele yayılımı saldırgan sinyaldeki her seviye geçişinde farklı bir gerilim gürültüsünün yayılmasına sebep olur.

Crosstalk-indüklenmiş BUJ hassasiyeti ölçüm sistemleri arasında farklılık gösterir. Osiloskop ölçümleri veya jitter ekstrapolasyonları BUJ veya RJ içerisindeki NP-BUJ'u ve aynı şekilde daha sonra aşırı-bildirilmiş TJ'yi toplar. PRBS31 en kötüsü oluyorken titreşim sonuçları (RJ, TJ) kuvvetli bir şekilde saldırgan desen karmaşıklığına bağlıdır. Diğer taraftan PRB7 genellikle bütün bir hataya neden olmaz. Gerçek zamanlı osiloskop durumunda TJ ve RJ sonuçları aynı zamanda kayıt uzunluğuna da bağlıdır ve daha uzun kayıt uzunluğu daha iyi ayrım göstermek için daha fazla örneklem noktası sağlar. Problemin tam olarak işleyişi aynı zamanda uygulamaya bağımlıdır.

BUJ ölçüm çözümleri

Günümüzde crosstalk varlığından şüphelenilen sinyaller üzerinde titreşim analizleri gerçekleştirmek için kullanılan bir takım yaklaşımlar mevcuttur ancak bunların hiçbirisi osiloskopların DDJ ve PJ için sağlayabildiğine benzer şekilde tek-buton çözümünü desteklememektedir. Jitter analizörünün aşırı uzun bir RJ ölçümü raporlayıp raporlamaması bir işarettir. 3 ps RMS'den daha büyük hedef için termal etkilerin ve RJ'nin ana nedeninin yönetimi nadir bir durumdur. Eğer RJ raporu 3 ps'den daha büyükse o zaman crosstalk'un problemlere neden olması muhtemeldir. Crosstalk tanımlaması için diğer yöntemler saldırgan kanal üzerinde daha fazla kontrol gerektirir. Örnek olarak eğer şüphelenilen saldırgan sinyali kapatmak mümkün ise o zaman RJ ölçümünü saldırgan sinyal ile birlikte ve saldırgan sinyal olmaksızın ölçerek bu sonuçları karşılaştırabilirsiniz. Eğer saldırgan sinyal mevcutken ölçülen RJ, saldırgan sinyal olmadan ölçülen RJ'den büyükse o zaman problem crosstalk'tur. Etraflı bir çalışmada saldırgan sinyal kapalı iken RJ ölçümünü ve daha sonra ilgilenilen BER'de sistemin Toplam Titreşimini hesaplamak için Dual-Dirac modeli üzerinde saldırgan sinyal ile birlikte dual-dirac DJ ölçümünü kullanmaktır. Bu yaklaşım ile birlikte gelen problem her zaman mümkün olmayan saldırgan kanalların kontrolüne ihtiyaç duymasıdır. Diğer bir sorun doğrusal olmayan sistemlerde (birçok iletici) geçersiz olması ve bazı crosstalk'lar sınırsız olduğundan dolayı hatalara karşı iyimser olmasıdır. Daha da geliştirilmiş bir yaklaşım BUJ-duyarlı jitter analiz algoritmalarının uygulanması olacaktır.

Bu algoritmalar Şekil 5'de gösterildiği gibi NP-BUJ'u RJ'den ayırmak için DDJ ve PJ ayırımlarından sonra jitter analizinde ek bir adım gerektirecektir. Saldırgan sinyal üzerinde hiçbir kontrol gerektirmediği için ve doğrusal olmayan TX bir problem ortaya çıkarmadığı için her senaryoda çalışacak olması önemli bir avantajdır. Ayrıca sınırsız crosstalk bileşenleri düzgün olarak tanınacaktır. Bu yaklaşımın dezavantajı sonuç üzerinde bulunan bazı karamsarlıklardır. Şekil 5. BUJ-duyarlı titreşim analizi ve sonuçlanan titreşim ayrışım haritası BUJ'u diğer jitter kaynaklarından düzgün bir şekilde ayrılmasında bir jitter analiz algoritmasının yapabilirliğini test etmek için Şekil 4 'de gösterilen testi BUJ-duyarlı bir jitter analiz algoritması kullanan eşdeğer örnekleme osiloskobundan alınan sonuçların ilavesi ile birlikte tekrarladık. Şekil 6'da kesikli çizgi ile gösterilen sonuç hala BERT'e nazaran bazı karamsarlıkları göstermektedir. Gerçek zamanlı bir osiloskop ile gerçekleştirilen sonuçlar biraz daha fazla karamsarlığa sahipti. Bu test bize raporlanan TJ hata doğruluğunun şaşırtıcı bir şekilde geliştiğini, jitter ve gürültü ilişkili hataların kaynağının bir crosstalk olduğundan şüphelenilen tasarımlarda bile güvenilir osiloskop TJ ölçümlerinin gerçekleştirilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir. Şekil 6. BUJ-duyarlı titreşim analiz (kesikli çizgi) algoritması büyük parazite sahip bir DUT üzerinde oldukça geliştirilmiş bir doğruluğu göstermektedir.

Veri hızları sürekli olarak artarken jitter da bir yandan tasarımcıların kendi tasarımlarındaki titreşim türlerini ve kaynaklarını tam olarak anlayabilmesi noktasında gittikçe önemini arttırarak sinyal aralığının önemli bir yüzdesini oluşturmaktadır. Birçok yüksek-hızlı seri tasarım artık çoklu kanalları gerektirdiğinden dolayı crosstalk jitter yığını içerisine faktörlenmesi gereken neredeyse kaçınılmaz bir sonuçtur.

Bugüne kadar crosstalk-etkenli jitter veya sınırlı ilişkisiz jitter etkileri ölçülürken jitter ayırma tekniklerinin kullanılması herkesin bildiği gibi zor olmuştur. Çünkü BUJ jitter algoritmaları için hesaba katılmamıştır ve o bir BER test edicisinden elde edilen sonuçlara nazaran daha karamsar toplam jitter sonuçlarına neden olan RJ ile birlikte kümelenmiştir. Bu büyüyen problemin tanımlanmasında özellikle 10 Gb/s üzerindeki veri hızları için jitter modeli BUJ-duyarlı algoritmaların eklenmesi ile birlikte BUJ'u da kapsayarak genişlemektedir.

Büyük miktarda crosstalk kapsayan testlerde yeni modeller bir BERT'den elde edilenler ile tutarlı olan gerçek zamanlı ve eşdeğer örnekleme osiloskopları üzerindeki TJ sonuçlarının tesliminde onaylanmış bir etkiye sahiptir. Aynı zamanda crosstalk tarafından eyleme geçirilmiş bir jitter kapsayan tasarımda daha tam ve esaslı bir jitter problemi analizine imkân sağlamaktadır.