Современная электроника №4/2019

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2019 Анализ джиттера в высокоскоростных цифровых устройствах на примере опции R&S RTO-K12 Часть 1 Джиттер является одним из основных факторов, ограничивающих быстродействие современных цифровых устройств. В первой части статьи рассматриваются причины его возникновения, классификация его составляющих, основные подходы к их снижению и типовые последствия проявления данного процесса в работе цифровых устройств. Николай Лемешко (nlem83@mail.ru ) , Павел Струнин (Pavel.Strunin@rohde-schwarz.com) В ВЕДЕНИЕ В настоящее время цифровые устрой- ства (ЦУ) являются основным клас- сом разрабатываемых электронных технических средств. Для них харак- терны применение хорошо отлажен- ных способов проектирования и воз- можность реализации очень широкого спектра функций. Дополнительным и не менее значимым преимуществом ЦУ является высокая защищённость циф- ровых сигналов от радиопомех, дости- гаемая за счёт пороговой обработки [1]. Несмотря на широкую номенклату- ру разрабатываемых ЦУ, можно выде- лить типовые функции их основных узлов, к которым следует отнести соз- дание, хранение, передачу и обработ- ку информации. Данные функции реа- лизуются с использованием современ- ной элементной базы и специального программного обеспечения для управ- ления аппаратными средствами цифро- вых устройств. Однако возможностиЦУ не являются безграничными – их про- изводительность во многом определя- ется разрядностьюи тактовой частотой. Следует признать, что оба этихфактора к настоящему времени стали ограничи- тельными: кратное повышение разряд- ности приводит к чрезмерному услож- нению топологии печатных узлов ЦУ и к снижениюих надёжности, а предельная тактовая частота ограничена возможно- стями компонентной базы. К настояще- му времени классическая технология производства микроэлектронной ком- понентной базыфактически подошла к физическому пределу [2], именно поэ- тому предельные рабочие частоты ЦУ не растут так быстро, как 10 лет назад. Вместе с тем для создания высокоско- ростных ЦУ предельная тактовая часто- та имеет первоочередное значение. С повышением частоты тактирования всё большую роль начинают играть ранее малозначимые процессы, как в интегральных компонентах, так и на уровне печатного узла. Одним из прояв- лений таких процессов является джит- тер [3] – «дрожание» фронтов и спадов в цифровых сигналах, т.е. непостоян- ство интервалов, приходящихся на передачу единичного бита. Согласно определению [4], джиттер проявляется в вариациях по времени расположения фронтов и спадов сигнала относитель- но некоторого идеального положения. В быстродействующихЦУформа сиг- нала близка к трапециевидной и пере- ходные процессы занимают значитель- нуючасть битового интервала. Согласно действующим представлениям, надёж- ный захват цифрового сигнала ещё обе- спечивается, если длительность фрон- та (спада) в цифровом сигнале состав- ляет не более 25% битового интервала. Наличие джиттера приводит к «размы- ванию» расположения фронтов и спа- дов по времени, что эквивалентно уве- личениюих длительности и ведёт к сни- жению допустимой тактовой частоты. В этом и состоит влияние джиттера на предельное быстродействие. Считается, что если суммарный джит- тер занимает более 15% битового интер- вала, то цифровой сигнал деградирует настолько, что ЦУ будет не способно выполнять свои функции из-за боль- шого количества битовых ошибок [4]. Если речь идёт ошироко применяемых сегодня дифференциальных парах, то допустимый уровень джиттера снижа- ется практически вдвое. Связанные с джиттером проблемы не проявляют- ся разве что в случае узкого класса эле- ментов ЦУ, работающих в асинхронном режиме (триггеры, блоки автоматики и т.п.), для которых допускается варьиро- вание длительностифронтов, спадов и битового интервала в широких преде- лах, но такие элементы обычно не рабо- тают на высоких частотах. Практикапроектирования высокоско- ростныхЦУоднозначносвидетельствует о том, чтодостижениене толькопредель- ных, ноиплановыхпоказателейбыстро- действия возможнотолькоприоптимиза- цииформирования, передачииобработ- ки цифровых сигналов, и в это понятие, несомненно, следует вкладыватьимини- мизациюджиттера. Поэтойпричине важ- но понимать природу возникновения джиттера в цифровых сигналах, а также уметьоценивать егоуровень сиспользо- ваниемсовременныхсредствизмерений. П РИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЖИТТЕРА И ЕГО ТИПИЧНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ В ЦУ Причины возникновения джиттера, а также влияющие на его характеристи- ки факторы должны рассматриваться в контексте функционирования печат- ных узлов, реализующих схемы ЦУ. Необходимо учесть, что линии пере- дачи цифровых сигналов работают в условиях паразитного взаимодействия друг с другом, а источники цифровых сигналов – в условиях непостоянства внешних воздействующих факторов. В настоящее время принято считать, что джиттер имеет детерминированные и случайные компоненты [4]. Детерми- нированная составляющая определя- ется системными источниками, таки- ми как перекрёстные и межсимвольные помехи, а также колебаниями напряже- ния электропитания. Она всегда огра- ничена и может быть охарактеризована пиковым значением для заданной топо- логии и конфигурации цифрового узла.