用Matlab分析高速数据传输中的时钟抖动

书书书 第 !" 卷第 "# 期$ $ $ $ $ $ $ $ $ 应$ $ $ 用$ $ $ 科$ $ $ 技$ $ $ $ $ $ $ $ %&’( !"，)( "# *##+ 年 "# 月$ $ $ $ $ $ $ $ $ ,--’./0$ 12./32/$ 430$ 5/263&’&78$ $ $ $ $ $ $ $ $ 92:( *##+ 文章编号："##; < =>"?（*##+）"# < ##"* < #! 用 @4:’4A分析高速数据传输中的时钟抖动 刘志堂，邵保华，孟$ 克 （哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨$ "B###"） 摘$ $ $ 要：提出了一种分析高速数据传输中时钟抖动的解决———@4:’4A(分析了高速数据通讯中时 钟抖动产生的原因及对通信系统的影响，介绍了用 5C1>### 系列数字荧光示波器和 @4:’4A捕获信号数据并随 后对不归零制（DEF）时钟信号进行简单抖动分析的方法，完成了高速数据通信中的时钟信号的采集以及时钟 抖动的鉴定和分析(试验验证，本方法大大提高了抖动鉴定工作的精度和效率( 关$ 键$ 词：时钟抖动；信号采样；示波器；@4:’4A 中图分类号：5D;";$ 文献标识码：, $ $收稿日期：*##! < #G < #;( 作者简介：刘志堂（";>G <），男，硕士研究生，主要研究方向：光纤通信与计算机网络( !"#$%&’& () *+, -$(-. /’**,0 ’" *+, +’1+2&3,,4 4#*# *0#"&5’&&’(" 6% 7#*$#6 HIJ F6.K:437，1L,9 M4&K6N4，@ODP Q/ （126&&’ &R I3R&ST4:.&3 430 U&TTN3.24:.&3 O37.3//S.37，L4SA.3 O37.3//S.37 J3.V/SW.:8，L4SA.3 "B###"，U6.34） !6&*0#-*：, W&’N:.&3 .W -S/W/3:/0 A8 @4:’4A T/:6&0 :& 434’8X/ :6/ 2’&2Q 0.:6/S.37 .3 6.76KW-//0 04:4 :S43WT.WK W.&3( 56/ S/4W&3W R&S :6/ 2’&2Q 0.:6/S.37 .3 6.76KW-//0 04:4 2&TTN3.24:.&3 430 :6/ /RR/2:W &3 :6/ 2&TTN3.24K :.&3 W8W:/T 4S/ 434’8X/0( 56/ Y&SQ 0&3/ .W 4W R&’’&YW：W4T-’.37 :6/ W.734’ A8 :6/ 5C1>### W/S./W 9W2.’’&K W2&-/，430 434’8X.37 :6/ DEF 2’&2Q W.734’ .3 @4:’4A 430 :6/ 2’&2Q 0.:6/S.37 .3 :6/ 6.76KW-//0 04:4 :S43WT.WK W.&3( OZ-/S.T/3:W W6&Y :64: :6.W T/:6&0 243 .T-S&V/ :6/ -S/2.W.&3 430 /RR.2./328 &R :6/ 2’&2Q’W 4--S4.W4’( 8,% 9(04&：2’&2Q [.::/S；W.734’ W4T-’.37；&W2.’’&W2&-/；@4:’4A $ $ 准确的抖动测量对以太网和光通路元件来说 是一个挑战，而抖动在系统的稳定性上起着至关 重要的因素( 不论是在 "## -W 还是在 "## !W 内， 抖动鉴定都是颇为费时的工作，都需要对波形数 据进行详细的分析( 如果能将这种分析工作自动 化，不仅可提高鉴定工作的精度和效率，而且还可 以显著地改进测试的可重复性( 5C1>### 系列数字荧光示波器和开放式 \.30&YW环境可为驻留在仪器内部的 @4:’4A等工 业分析和数据库应用程序提供一流的作业平 台(示波器信号采集存储器内的波形数据可以导 出，然后引入到分析应用程序进行处理和显示( @4:’4A是一种交互式系统，其基本数据元是一个 数组，不需要标量或计算(可在很短时间内解决技 术问题( 本文通过实例描述了用 5C1>### 系列数字 荧光示波器和 @4:’4A 捕获信号数据，随后对不归 零制（DEF）时钟信号进行简单抖动分析的方法( 这些方法包括： "）确定样值的分辨率以获得精确的结果； *）将波形数据从 5C1>### 中移到 @4:’4A； !）建立简单抖动分析使用的工作表； +）用 @4:’4A以曲线图绘制结果( "$ 抖动概论 抖动是信号在理想时间位置上的跃迁或 * 个 跃迁之间的定时变化( 抖动时间间隔往往在几十 个 -W至几百个 -W(现在的时钟频率已达 "PLX范 万方数据 围，因此这种似乎很小的抖动误差可在“定时预 算”中影响很大! 所谓“定时预算”是指分配给系 列逻辑运算的时间! 例如在标准的 "! # $%&’( ) ( *+,-. ) */0 位速率下，一个时间间隔单位仅为 122 3(，这部分“预算”大部分被发射机和接收机 组件所损耗，因此抖动会占用过多的剩余时间! 4! 45 抖动的特性 以下面的图解来分析抖动，以图 4 波形为例! 图 45 抖动波形 每当波形超过指定的阈值变为正数时，该数 据为逻辑值 4!当波形低于阈值时，数据为逻辑值 零!现在假定在发射和接收波形时，其定时所受到 的影响如图 " 波形! 图 "5 影响抖动波形 此处的信号跃迁脱离了其在时间上的理想位 置，并在 " 次跃迁之间发生了变化，这就是抖动的 定义!由于噪声或其他误差源等因素之故，在边沿 位置变化之处出现的变化量就是抖动的数值! 4! "5 产生抖动的主要原因 4）准电平模糊! 由系统低频截止点引起，它 会在长串连续同样数字（67/）附近产生抖动! "）系统带宽不足!这会阻止某些脉冲达到稳 态水平，在分隔的脉冲（如! ! 242! ! 或! ! 424! ! 数 据序列）上引起抖动! 8）放大器偏置!可在每次数据转换时引起脉 宽变形! 4! 85 抖动对通信系统的影响 光纤通讯系统中，抖动会在每个元件上累积! 在接收端，时钟和数据恢复电路（6/9）分析数据 并分解出串行速率时钟，6/9 上的抖动表现为时 钟速率小频率变化!缓慢的变化（小频率抖动）很 容易跟踪，而快速变化（高频抖动）则不容易跟 踪!如果接收端有太多高频抖动，时钟就不能分解 出来，于是就会在数据通信中出现大量错误! "5 确定数据的最佳采样间隔 示波器的带宽和取样率对精确信号捕捉是非 常重要的!所以，在捕获波形数据前，先需确定一 种最佳的采样间隔!在测量抖动时，必须权衡下列 " 个方面： 4）捕获尽可能多的边沿； "）尽可能精确地定位每一个边沿! 为达此目的，需要以足够高的分辨率采集数 据以找到边沿，但又不能过高，以避免限制了本来 可以捕获到的边沿数量! 85 时钟抖动的解决方案 8! 45 将波形引出到适合:;’<;%的文件中创建函数 在引出 ./*=222 示波器中存储的数据时，将 :;’<;%选作 /;’;的目的地，系统此时生成 " 个文 件!这里把这 " 个文件分别命名为 >&’’?@! A;’; 和 >&’’?@! BA@!主文件包括 1 个域：即波形长度、 采样间隔、触发位置和触发时间偏置! 创建 >&’’?@4 函数，用以调用几个子函数解决 时钟抖动问题!启动 :;’<;%，指定通往含 >&’’?@! A;C ’;和 >&’’?@! BA@文件的件夹路径!输入下列指令： DEFG’&HF @I(J&’’?@ K >&’’?@4（ D&&’’?@4 函数 调用该函数! 接下来定义一个函数为 I?;(E@?-AO?.&I&FO， 该函数可接收 1 个输入参数，返回一个输出参数 （时间）!建立一个新 :CD&）和 =&$< （?）7把下列线性回归加到 @*!!$#>7 , 函数后，便可 用斜率公式计算符号率的平均测量值7 =&$< A -&’)<*!（=’&=B%，,$+%2#$(5*,$，>）； # A =&$<（?）； % A =&$<（>）； ,$+%2#$(C0$#+4$D),;&’EC!$ A > F %’ 87 19 计算符号时钟差错率和绘制波形图 有了符号率的平均测量值，就可计算符号时 钟的差错率，首先从符号的平均测量值内减去提 供的符号率，并用符号率除以差7 在 @*!!$#>7 , 函 数中添加： ,$+%2#$(D),;&’E+!$3##&# A（,$+%2#$(C0$#+46 $D),;&’E+!$ G %),;&’E+!$）F %)%;&’E+!$； 至此 :+!’+; 便可用计算值绘制输入波形并 显示符号率误差7 在 @*!!$#>7 , 函数中，添加绘制 ,$+%2#$(D),;&’EC!$3##&#的指令7 87 H9 计算抖动 E:D抖动 在解抖动的值时，要找到重建边沿定时测量 值之间的定时和与边沿定时测量值之间的定时 差7在计算该域时，需在 @*!!$#>7 ,中添加： @*!!$# A #$=&/%!#2=!$( G ,$+%2#$(5*,$； 在计算 E:D（均方根）的抖动时，用抖动数组 的长度平方根除规格化的（平均）抖动数组： E:DI*!!$# A /&#,（ @*!!$#）F %J#!（ ’$/4!"（ @*!!$#））7 19 引入波形和采样间隔并输入数值 从示波器向 :+!’+; 引入波形数据7用波形数 据和主文件名称（ @*!!$#7 (+! 和 @*!!$#7 "(#）调用 @*!6 !$#> 函数，输入下面的值：#，用于生成数据的符 号率；%，用于确定波形是 ’&4*= "*4"（>）还是 ’&K （L）的阈值；(，在阈值周围生成保护间隔的滞后 值（用于在捕获波形是抑制噪声）7用下列语法调 用 @*!!$#> 函数 @*!!$#>（“ @*!!$#”，HLLL，L，>） :+!’+;此时开始运行 @*!!$#> 函数，将返回值 指定为 #,%@*!!$#的值7同时，:+!’+; 显示符号差错 率和 E:D抖动图7 图 89 :+!’+;中的波形和抖动图 H9 结9 论 本文介绍的测量方法非常适合于高速数据通 信中使用 MN F >LN编码系统的以太网和光纤通道 元件的确定性抖动测量7 在此总结了如何用 5ODPLLL 系列 OQR 示波器配合 :+!’+; 一起来分 析波形抖动7充分利用了 5ODPLLL 系列示波器具 有在同一独立平台上运行 :+!’+; 和波形捕获工 具的能力，运用 :+!’+; 的强大的数据处理功能， 实现了关键性抖动的采集和鉴定工作，提高了鉴 定工作的精度和效率，显著地改进了测试的可重 复性7 参 考 文 献： ［>］赵梓森7 光纤通信工程：第 ? 版［:］7北京：人民邮电 出版社，>SS17 ［?］楼顺天7 基于 :+!’+; 的系统分析与—信号处理 ［:］7北京：电子科技大学出版社，>SSH7 ［8］樊昌信，詹道庸7通信原理［:］7北京：国防工业出版 社，>SSH7 ［责任编辑：刘9 畅］ ·1>· 应9 9 9 用9 9 9 科9 9 9 技9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 第 8> 卷 万方数据 用Matlab分析高速数据传输中的时钟抖动 作者： 刘志堂， 邵保华， 孟克 作者单位： 哈尔滨工程大学,信息与通信工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001 刊名： 应用科技 英文刊名： APPLIED SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2004,31(10) 参考文献(3条) 1.赵梓森 光纤通信工程 1994 2.楼顺天 基于Matlab的系统分析与设计-信号处理 1995 3.樊昌信.詹道庸 通信原理 1995 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_yykj200410005.aspx