СХЕМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТАКТОВОГО СИГНАЛА ДЛЯ АНАЛИЗА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ

Карташев Е. А.

Источник: www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2007_05_178.pdf

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 называют DCA (digital communications analyzers) — анализаторами цифровых телекоммуникация, 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 X 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 задержку между получением события запус ка и захватом точки. Если последователь ность данных подать многократно, можно будет воссоздать сигналы, генерируемые пе редатчиком. Таким образом, заявление, что осциллографы эквивалентного времени мо гут тестировать только повторяющийся сигнал,неверно.

Рисунок 1. Глазковая диаграмма на экране прибора DCA(86100C) от  Agilent Technologies

Более распространенный подход — это запуск осциллографа по тактовому сигна лу, который синхронизирован с потоком данных передатчика. Этого легко достичь с помощью генератора последовательнос тей импульсов. При использовании такто вого сигнала время между событиями за пуска крайне невелико (длительность би тового периода при скорости передачи данных более 1 Гбит/с составляет менее I не). Следовательно, главный ограничи тель — время возврата в состояние готов ности DCA. Для этого требуется несколько микросекунд, затем прибор запускается, а две ближайшие точки на экране в итоге будут захвачены из двух разных частей по следовательности битов. Одной выборкой может быть логический 0, следующей бу дет либо логический 0, либо 1. Сигнал, ото браженный на экране прибора, не будет вос созданным сигналом генератора последо вательностей импульсов — это будет набор выборок из последовательности, которую он генерирует. Такой тип отображения сиг нала называется глазковой диаграммой. Это, пожалуй, самый лучший вариант ото бражения сигнала для тестирования пере датчиков, так как он отражает на одном эк ране общие параметры передатчика при широком спектре входных условий. Отме тим, что при этом варианте тестирования последовательности битов не требуется по вторять. Глазковую диаграмму (рисунок) можно построить исходя из абсолютно слу чайных данных, пока синхронизированный тактовый сигнал запускает DCA.
А что если тактовый сигнал нельзя ис пользовать в качестве регулятора времени? Это очень распространенный случай при тестировании сетевого оборудования. Тактовый сигнал очень редко доступен, если, ко нечно, 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 передатчи ком. Схемы извлечения тактового сигнала обычно основаны на петле ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты — phase-lock-loop). Гетеродин, управляемый напряжением (VCO), обычно запускается на частоте, близ кой к предполагаемой скорости передачи данных. Часть сигнала VCO направляется на фазовый детектор, сравнивающий его фазу с частью поступающего потока дан ных. Если частота VCO не совпадает с час тотой передаваемых данных, фазовый де тектор подаст сигнал об ошибке, пропорциональной разности частот. Этот сигнал ис пользуется VCO в качестве контрольного для коррекции частоты (так, чтобы та сов пала с частотой поступающего сигнала дан ных). В результате VCO достигнет важной для нас синхронизации с входящим пото ком данных и появится возможность ис пользования его в качестве средства подачи событий запуска.
При восстановлении тактового сигнала из тестируемого необходимо учитывать не сколько важных факторов. Поток данных, скорее всего, будет сопровождаться флук туациями, несколько повышающими и по нижающими его штатную скорость. Эти флуктуации часто называют джиггером. Он очень похож по природе на нежелательную частотную или фазовую модуляцию. Если для запуска РСА используется генератор по следовательностей импульсов, очень легко оценить уровень джиггера, вносимого са мим 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 I к 0 пере секаются) на глазковой диаграмме будет очень узкой. Если в сигнале присутствует джиттер, переходы будут происходить в раз ное время из-за колебаний скорости пере дачи данных. На глазковой диаграмме это можно отследить по широкой точке пере сечения.
Как же оценить джиттер, если мы будем извлекать тактовый сигнал из потока дан ных? По сути, нужно сравнить сигнал с са мим собой. Джиттер характерен и для сиг нала запуска, и для тестируемого сигнала.
Схемы извлечения тактового сигнала VCO можно представить себе в виде ветря ной мельницы, которую заставляет кру титься с требуемой скоростью генератор последовательностей импульсов. И проис ходит ли переход от 0 к I, или от I к О, VCO есть с чем синхронизироваться. Для VCO очень важно удерживать нужную частот)', даже если переходов нет — например, сле дует длинная серия 0 или I. Это достигает ся размещением эффективного фильтра низких частот между выходом с фазового детектора и контрольным входом на VCO. Это позволяет стабилизировать контроль ный сигнал VCO и, следовательно, частоту VCO. Кажется, что чем выше стабильность, тем лучше. Но примите во внимание, что фильтр контролирует также и то, насколь ко быстро поток данных флуктуирует и позволяет VCO продолжать работать. Когда в потоке данных присутствует джит тер, сигнал об ошибке на выходе фазового детектора будет аналоговым представлени ем этого джиттера. Фазовый детектор — это эффективный демодулятор джиттера. Так как сигнал ошибки управляет действи ями VCO, джиттер, присутствующий в по токе данных, передается на VCO. Если уро вень джиттера становится слишком большим (по отношению к полосе пропуска ния контрольной петли), слишком быстро изменяющийся сигнал ошибки на выходе с фазового детектора будет отсечен филь тром низких частот. Таким образом, высо кочастотный джиггер до VCO не дойдет. Следовательно, ФАПЧ и схема извлечения тактового сигнала, эту ФАПЧ использую щая, будет работать только с теми данны ми, частоты джиттера которого лежат в пределах полосы пропускания фильтра.
Если полоса фильтра очень узкая, на VCO подается очень мало данных. И он прибли жается к состоянию практически полного отсутствия джиттера. А если полоса фильт ра широка — то почти весь джиттер будет передаваться на VCO. Это иллюстрирует не обычный эффект, который оказывает поло са пропускания фильтра на ФАПЧ восста новления тактового сигнала. Это, конечно, фильтр низких частот. Но с точки зрения джиттера, наблюдаемого DCA, он обладает эффектом фильтра высоких частот. Наблю дается только джиттер, превышающий по лосу пропускания фильтра. Какой же должна быть полоса пропускания фильт ра при измерении сигнала передачи дан ных? На первый взгляд может показаться, что чем Уже полоса, тем лучше — это поз воляет наблюдать практически весь объем джиттера. Однако в некоторых случаях, ког да нужна широкая полоса пропускания.
Представьте, что периодически передат чик взаимодействует с приемником, чтобы установить связь. Приемник обладает схе мой, которая определяет логический уро вень принимаемых битов данных. Чтобы принимать решения в оптимальное время, даже если данные сопровождаются джигге ром, 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, что бы не реагировать на последовательности данных с низкой плотностью передачи. Вследствие этого, приемник достаточно ус тойчив к не слишком быстрому джиттеру. Если приемник устойчив к низкочастотно му джиттеру, имеет смысл тестировать в пе редатчике наличие высокочастотного джит тера. Следовательно, нам нужна измеритель ная система, которая отображает джиттер, превышающий полосу пропускания филь тра в приемнике (тот, с которым связывает ся передатчик). Это достигается тогда, когда полоса пропускания схемы извлечения так тового сигнала из сигнала запуска устанав ливается такой же, как у приемника. Иногда этот метод называют запуском с «золотой ФАПЧ». Схема извлечения тактового сигна ла на уровне приборов обладает изменяемой полосой пропускания. Это позволяет наст роить осциллограф на отражение требуемо го спектра джиттера, также как и на режим «золотой ФАПЧ».

Распространенной проблемой с подобны ми схемами измерительных приборов яв ляется следующая: обычно можно выбирать из небольшого числа вариантов полосы про пускания. Классическая архитектура ФАПЧ, описанная выше, по природе своей узкопо лосна. Выходной сигнал с фазового детек тора (смесителя) будет содержать много па разитных составляющих, которые потребу ют фильтрации. Кроме того, обычные VCO имеют ограниченное число диапазонов на стройки, что тоже ограничивает количест во вариантов скорости передачи данных, до ступных для анализа.
Можно создать улучшенную схем)' извле чения тактового сигнала для приборов, что бы добиться нескольких десятков вариан тов диапазона. Вместо использования клас сического фазового детектора на базе смесителя используется цифровой подход. Цифровое сравнение потока данных и вы хода с VCO позволяет создать петлю, про порциональную разности фаз. Принципи альное отличие этого подхода от традици онного состоит в том, что он не требует последующей фильтрации. Это позволяет работать с огромным количеством вариан тов скорости передачи данных. Однако очень важно использовать сложные полу проводниковые процессы на скоростях, пре вышающих 13 Гбит/с, с минимальным уров нем собственного джиттера. Другим ключе вым отличием является то, что VCO можно перенастраивать в очень широком диапазо не. Для расширения диапазона можно ис пользовать простую цепь делителя, что поз воляет достичь скоростей от 13 до 50 Гбит/с.
VCO должен обладать чрезвычайно низ ким уровнем внутренних фазовых шумов. Фазовые шумы гетеродина и джиттер фа зового детектора будут восприняты DCA как джиттер запуска. Этот джиттер случа ен и не распространен в сигналах данных. Если бы измеряемый сигнал не имел джит тера, прибор, тем не менее, показал бы, что он есть, так как нарушен тактовый опор ный сигнал. При использовании самых пе редовых СВЧ-технологий в производстве VCO можно добиться уровня остаточного джиттера менее чем 1% СКЗ битового пе риода даже при скорости передачи данных, превышающей 10 Гбит/с.
Использование схем восстановления так тового сигнала является легким и эффек тивным методом тестирования высокоско ростных цифровых передатчиков. В зави симости от конечной сферы применения извлечение тактового сигнала из самого из меряемого потока данных может быть бо лее подходящим методом, так как тестиру емое устройство проверяется с точки зре ния приемника, который будет работать с ним в паре. Будьте внимательны при вы боре или конфигурации схемы извлечения тактового сигнала, так как она очень серь езно влияет на результаты измерений.

<<назад