FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
La parola "jitter" viene normalmente utilizzata per descrivere la deviazione a breve termine di un fronte ascendente (o discendente) di un segnale dalla sua posizione ideale sull'asse temporale (asse orizzontale).
Si applica anche alle variazioni di sistema che ricadono nella voce "basic system jitter" e comprendono gli errori dell'intervallo di tempo, o TIE (Time-Interval Error), come ad esempo l'instabilità nel periodo, frequenza, fase e duty cycle del segnale.
Il jitter può essere misurato facendo riferimento al tempo, ai dati ai o entrambi.
Altri contributi al jitter rientrano nella categoria “advanced system jitter”. Per la maggior parte dei progettisti, conoscere il valore del TIE è sufficiente, specialmente per i segnali a velocità relativamente bassa, da pochi Megabit al secondo fino a 1 Gbit/s. A queste velocità, i contributi di jitter avanzati sono per lo più ignorati in quanto hanno poca o nessuna influenza sul segnale.
Tuttavia questi contributi non possono più essere ignorati a velocità di trasmissione dati di superiori a 5 Gbit/s. Diventa quindi importante sapere quali siano i contributi hanno la maggiore influenza sul segnale, in modo da adottare le contromisure misure progettuali necessarie per ridurne la loro influenza sul sistema complessivo.
Fig. 2 - Diverse tipologie di diagrammi ad occhioUn diagramma ad occhio è una rappresentazione utile per comprendere il jitter e altri disturbi del segnale nello strato fisico di sistemi di trasmissione di di dati digitali ad alta velocità, verificando la conformità dell'uscita del trasmettitore e rivelando gli elementi di ampiezza e distorsione temporale che degradano il tasso di errore sul bit (BER, Bit Error Rate).
Catturando dei campioni istantanei ad elevata larghezza di banda di una segnale digitale ad alta velocità, si ottiene un diagramma ad occhio visualizzando la somma dei campioni derivanti dalla sovrapposizione degli uno, zeri e delle corrispondenti misure di transizione. L'immagine risultante somiglia ad un occhio, come illustrato nella figura 2.
Nelle misure su segnali di dati seriali, è comune imbattersi in espressioni come “apertura o chiusura dell'occhio”. Più un occhio è "aperto", e meglio è. Valori elevati di jitter (e rumore) "chiudono" l'occhio, il che si traduce in bit error rilevati dal ricevitore.
Il segnale di un trasmettitore passa attraverso molte interconnessioni prima di arrivare al ricevitore. Le interconnessioni non sono trasparenti, e causano distorsioni del segnale. Introducono anche "riflessioni", ovvero la causa più comune dei problemi di integrità del segnale.
Le riflessioni si verificano ogni qualvolta vi sia un cambiamento di impedenza nel percorso di un segnale, e sono soprattutto le interconnessioni a causare questi cambiamenti. Altri fattori che possono influenzare il segnale sono crosstalk, o diafonia, interferenze elettromagnetiche, e la presenza di ritorni verso la massa e la linea di alimentazione (ground e power bounce).
Prima di approfondire il tema del jitter, è importante comprendere i concetti di Bit Error Rate (BER) e Bit Error Ratio. Molte specifiche richiedono un BER basso.
Ad esempio, la specifica USB 3.0 indica che il BER non superi il valore di 1 su 1012 bit, il che potrebbe richiedere un tempo molto lungo per effettuare un'analisi.
Fig. 3 - Specifiche USB 3.0
Questo è il motivo per cui i metodi di estrapolazione vengono utilizzati su un oscilloscopio in tempo reale per stimare il jitter (e il rumore) a specifici valori BER. I modelli di jitter Dual-Dirac, come definiti nelle specifiche “Methodologies for Jitter and Signal Quality” (MJSQ) sono diventati lo standard di fatto. Per inciso, un oscilloscopio non può misurare direttamente il BER: è qualcosa che può essere fatto solo da strumenti specifici, conosciuti come bit-error-rate tester, che catturano ogni bit in tempo reale.
Figura 4. Mostra la gerarchia Jitter, che include i seguenti argomenti:
Total jitter: Total jitter (Tj) è una combinazione tra jitter casuale, o "random jitter" (Rj) e jitter deterministico, o "deterministic jitter" (Dj). Viene rappresentato come un valori di jitter picco-picco, o "peak-to-peak jitter", ma corrisponde ad uno specifico bit error ratio e quindi viene generalmente indicato come Tj(BER). Ciò è dovuto al fatto che il vero valore del peak-to-peak jitter è casuale e illimitato, ed è quindi necessaria la sua associazione al BER quando si specifica un limite peak-to-peak jitter.
Fig. 5 - Distribuzione Gaussiana illimitataRandom jitter: Random jitter, come suggerisce il nome, è un jitter causato da sorgenti casuali ed in genere segue una distribuzione Gaussiana. È illimitato, il che significa che il suo valore cresce con il tempo e tende a "chiudere l'occhio". Il valore corretto di Rj su un segnale dipende da quanto tempo viene misurato.
Deterministic jitter: Un Jitter causato da sorgenti note o deterministiche è detto deterministic jitter. Segue una distribuzione limitata ed è espressa in termini di un valore peak-to-peak. Sorgenti deterministiche di jitter possono essere correlate o non correlate ai dati.
Data-dependent jitter: un jitter che dipende dai dati, o "data-dependent jitter" è correlato alla sequenza di dati analizzati ed è suddiviso in due ulteriori categorie: Inter-Symbol Interference (ISI) e Duty-Cycle Distortion (DCD).
Inter-symbol interference: L'interferenza intersimbolica (ISI) è dovuta ad un canale di trasmissione a banda limitata che fa sì che i fronti ascendente e discendente non siano ideali. Il primo bit dopo una transizione potrebbe non raggiungere una adeguata ampiezza se non dopo un periodo di tempo rilevante.
Per questo motivo, alcuni sistemi di trasmissione utilizzano una tecnica di "pre-enfasi", che spinge rafforza i fronti iniziali per compensare l'effetto di un canale a banda limitata (Fig.5). L'effetto dell'ISI può essere osservato anche visivamente nel diagramma ad occhio del pattern di dati.
Duty Cycle Dstortion (DCD): In un flusso di dati seriali, la distorsione del duty-cycle è la differenza nella larghezza del bit per 0 e 1. A causarla sono le variazioni nei livello della sogli decisionale (crossing level) e/o la deriva dell'offset del segnale.
Bounded Uncorrelated Jitter (BUj): Questo componente del jitter è deterministico ma non correlato ai dati. E' suddiviso in due ulteriori componenti: periodic o sinusoidal jitter (Pj) ed altri fattori di jitter ad esso legati ma non correlati (OBUj).
Periodic jitter: Questo componente del jitter è causato da variazioni periodiche o sinusoidali in un segnale. Può essere correlato o non correlato, ma il motivo per il quale appare in quest'ultima categoria è principalmente da attribuirsi a fonti che non saranno correlate nel tempo con il segnale.
Un esempio di periodic jitter non correlato è quello di segnali generati da alimentatori a commutazione. Le frequenze alle quali il periodic jitter si verifica può essere determinato in due differenti modalità. La prima è esaminare lo spettro di frequenze RjBUj del segnale, in cui i picchi che si verificano di sopra la linea gialla di soglia sono contributi Pj del segnale (Fig 6).
Fig. 6 - Spettro di frequenza RjBUj che illustra i contributi Pj
In questo caso, i picchi che si verificano intorno alla gamma di 80 kHz e generalmente indicano la presenza di un alimentatore switching nel sistema. È anche possibile osservare l'istogramma TIE del segnale e, se sembra avere la forma di una tazza o vasca, potrebbe indicare che Pj è il componente jitter dominante nel segnale.
Altro jitter legato ma non correlato (OBUj): È causato da sorgenti "diverse" rispetto a fonti periodiche e non correlate al pattern di dati. Il componenti di jitter OBUj in natura è non-Gaussiano, ed è principalmente un jitter indotto da diafonia o interferenza da dati non periodici tra le linee di segnale.
L'analisi della diafonia può essere eseguita in uno scenario aggressore/vittima in cui la linea dell'aggressore causa interferenze su quella della vittima. L'interferenza causata dalla diafonia incrementa il jitter (e il rumore).
Per l'analisi di BER e o diagrammi ad occhio ci sono diverse soluzioni, quali osciloscopi real time, analizzatori vettoriali di reti (VNA) nel dominio della frequenza e analizzatori di qualità del segnale nel dominio del tempo (SQA, Signal Quality Analyser) utilizzando un generatore di pattern di impulsi.
È anche possibile utilizzare uno strumento VNA o SQA per misurare l'accoppiamento tra le linee dei segnali, il che permetterebbe di misurare la diafonia (crosstalk). Tecnicamente ciò è corretto, ma per analizzare gli effetti del crosstalk sul jitter temporale è necessario utilizzare un oscilloscopio di tipo real-time.
