지터란 무엇인가?

지터의 구성요소
그림 1은 지터의 구성요소를 완벽히 재현하고 있다. 전체 지터는 임의 지터(Random Jitter, RJ)와 결정적 지터(Deterministic Jitter, DJ)로 구성된다.
RJ는 통계적 개념이므로 제한이 없다. 가우시안 분포에 따른 rms 값에 의해 모델화될 수 있다. 경과 시간이 길수록 폭이 넓어진다(1회에서 그림 5, 6 및 그림 2). RJ는 열적 효과에 의해 발생한다.

다음의 계층에 의해 결정적 지터가 분리된다.
-정기적 지터(Periodic Jitter, PJ)는 상승 및 하강 에지를 정기적 패턴으로 치환한다. 이러한 지터는 정현적 변조(sinusoidal modulation)로부터 생성되기 때문에 SJ라고 칭하기도 한다(그림 3).
-데이터 의존형 지터(Data Dependent Jitter, DDJ)는 비트 패턴과 상관성을 갖는다.
-한정적 비상관 지터(Bounded Uncorrelated Jitter, BUJ)는 서브 회로 간의 누화(crosstalk), 전원 잡음 및 전자기간섭(EMI) 등 비동기 신호와의 간섭에 의해 발생한다.

DDJ는 다음과 같이 분리될 수 있다.
-차동 입력 간의 전압 오프셋 및 시스템 내 전이 시간 차이에 의해 발생하는 듀티 사이클 왜곡(Duty Cycle Distortion, DCD)
- 상이한 심벌(길고 짧은 비트 사이클들)에 의해 발생하는 인접심벌 간섭(InterSymbol Interference, ISI). 이것은 AC 커플링(저주파 cut-off) 또는 고주파 roll-off로부터 발생하는 대역폭 제한에 의해 설명될 수 있다. (이것은 비선형 상(phase) 특성만을 갖는 필터로부터만 생성된다. 베셀 필터와 같은 선형 필터는 지터를 생성하지 않는다.)

DCD 및 ISI 지터는 비트 패턴 의존형이다. 패턴이 클록형 패턴에서 실제 데이터로 변환할 때 지터가 발생한다. PRBS형 패턴은 수많은 주파수 구성요소를 포함하고 있기 때문에 시험에 유용하게 사용될 수 있다.

CDR의 역할
클록 데이터 복구(Clock Data Recovery, CDR)는 데이터 신호에 포함된 클록 신호를 추출하는 구성요소이다. 이로써 두 기기 사이의 클록 신호를 라우팅 할 필요가 없어진다. 하지만 다른 훨씬 중요한 문제가 있다. CDR이 지터를 감소시킨다는 사실이다(그림 5).
낮은 주파수에서 CDR은 어떤 지터이든 추적할 수 있다. 여기서 추적이란 상이 복구된 클록을 데이터로 받아들이는 것을 의미한다. 눈의 완벽한 지점(sweet spot)에서 샘플링이 일어나며, 비트 에러가 발생하지 않을 가능성이 높다. 컷오프 주파수보다 높은 수준에서 CDR은 지터 주파수를 추적할 수 없기 때문에 추적은 감소하며, 따라서 고주파 지터 요소에 의해 눈이 감긴다. 설계자들은 고주파 지터 요소에 대해 걱정해야 할 것이다.
실험 기기도 비슷하게 작동할 것이다. 레퍼런스 클록을 기준으로 한 지터 측정치들은, 저주파 구성요소도 포함되어 있기 때문에 잘못된 결과를 가리킬 수 있다. 따라서 CDR을 사용함으로써 좀더 나은 결과(낮은 수치와 실제에 가까운 값)를 달성할 수 있을 것이다(그림 5).

보정 지터의 생성
다양한 지터의 구성요소는 몇 가지 다른 방법에 의해 생성될 수 있다(그림 6).
-클록 지터는 정현적 클록 변조(PJ/SJ)에 의해 생성된다.
-고주파 정기적 지터(Periodic Jitter, PJ)는 지연선의 도움에 따라 에지 변조에 의해 생성된다.
-임의 지터(RJ)는 노이즈 소스에 의한 지연선의 도움에 따라 생성된다.
-공통/차동 모드 노이즈(DM/CM 누화)는 데이터선에 정현적 신호를 첨가함으로써 생성한다.
-ISI 지터는 “손실” 지연선으로 구성되는 스위칭 필터에 의해 생성된다.

RX 시험

RX 시험에 대한 개념은 바뀌었다. 합리적인 수준의 TX 신호를 받아 적절히 기능하는 경우 RX의 상태는 양호한 것으로 믿어졌었다. 실용적이긴 하지만 위험한 접근법이다.
그림 7은 RX 입력의 구조에 대해 설명하고 있다. RX 입력의 구성요소와 지터에 대한 민감성은 다음과 같다.
-눈 열림 필터 → ISI
-제한 증폭기 → 펄스 폭
-샘플러 → 듀티 사이클 편차, 고주파 PJ
-CDR → 패턴 의존성

수신기는 신호 감쇠(degraded signals)를 수용해야 한다. 수신기의 강건성을 검증하기 위해서는 약화된 데이터 스트림이 필요하다. 다양한 형태의 지터(RJ, PJ, BUJ, ISI, SI)를 보정 배치하면 실제의 스트레스 조건을 재현할 수 있다.
수신기 시험을 위해서는 다음과 같은 세 가지의 요건을 고려해야 한다.
-알려진 비트 패턴의 시뮬레이션
-한 지점에 접근하여 수신 비트의 루프백을 수행한다.
-시뮬레이션된 패턴과 수신된 패턴을 하나하나 비교하여 불일치 비트(에러)의 수를 센다.
루프백과 관련하여 두 가지의 상황이 가능하다(그림 9).
-근단(near-end): 샘플링 회로의 출력에 가깝다.
-끝단(far-end): 회로 아래로 먼 쪽에 위치하며, 버퍼링이 포함되는 경우도 있다.

루프백 지점이 멀리 있을수록, 시험 가능성에 대해 고려할 필요성이 높아진다. 버퍼링을 포함하기 위해서는 기기가 클록에 따라 전환됨으로써 클록 속도 공차를 억제할 것이 요구된다.
RX 입력에 대해 설명하자면, 근단 루프백은 최적이지만, 이것은 대상 시험(test bench)에서만 사용할 수 있다.
TDMA 환경에서 루프백은 좀더 복잡해진다. 그림 10의 RX 재생 슬롯 관련 개념이 해결책이 될 수 있을 것이다. 정상 작동상태에서 이 슬롯은 선택사항이다. 수신기가 루프백 내에 배치되면, 이러한 슬롯 동안 자극을 재생할 것이다. 이로써 외부 장비와 내장 자체 시험(Built-In Self Test, BIST) 방법에 의해 재생 데이터에 대한 검사가 이뤄진다. BIST는 자극 패턴을 생성할 뿐 아니라, 한 시스템을 구성하고 있는 요소들의 기능 확인을 점검할 수 있는 패턴을 제공하는 칩에 회로를 추가한다.
요컨대 단계적인 접근법을 취하는 경우, RX 시험은 좀더 비용 및 시간 효율적인 방법이 될 수 있다(표 1).
- 칩 수준에서 대상 시험으로 평가(가변적인 스트레스)를 실시한다. 루프백을 사용하여, 모든 종류의 통제 가능한 스트레스를 적용할 수 있다.
- 실제 시스템을 대상으로 적합성 시험을 실시한다. 최고의 TX를 이용하여, RX 입력부에 최악의 신호를 공급한다. 이 TX는 평가 장비를 이용해 보정할 필요가 있다.
- 특정한 작동조건에서 BIST를 이용해 기능 시험을 실시한다. BIST 하드웨어를 이용해 제조 시험을 매우 효율적으로 실시할 수 있다는 장점이 있다.

그림 11은 루프백과, 모든 종류의 스트레스 신호를 생성하고 수신된 비트를 분석하는 장비에서 RX를 이용해 수행하는 대상 시험에 관한 설정에 대해 설명하고 있다. BER를 기준으로 하여, RX 성능을 평가할 수 있다(또한 RX 성능을 동일한 장비로 평가할 수도 있다).[6]

“표준의 세계”에 대한 고찰

1. 이더넷: 1 Mb/s, 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s, 10 Gb/s
          -1 Mb/s 스텁화된 링에서
          -10 Mb/s 이중 점대점 연결로부터

2. PCIe: 2.5 Gb/s, → 5 Gb/s
          -다중 이중 점대점 연결
          -지터의 상태를 조절하기 위한, 상당히 자세한 RX 시험 시나리오

3. PON: 수동형 광 네트워크(10 Mb/s) 155 Mb/s에서 2.5 Gb/s까지
          - 수동형 광 스플리터(1:32)가 있는 TDMA
          -양방향 통신이 가능한 단일 광섬유
          -대략적인 가드 시간 보정, 프레임 포맷으로 인한 충돌.
          -CDR 정렬을 위한 충돌 위상

물리적 계층의 측정을 위한 툴

신호 무결성 TX 및 매체:
 -패턴 생성기, AWG 및 스코프
신호 무결성 RX:
 -비트 에러율 테스터(BERT), 로직 분석기, 루프백, BIST
매체/송신선, 임피던스 및 손실
 -TDR: 시간 영역 반사측정(T-파라미터)
 -네트워크 분석기 (주파수 영역, S-파라미터)[7]

오늘날의 장비(루프백 제외)를 기준으로 한 RX 스트레스 시험

RX 스트레스 시험에서는 스트레스 신호를 FlexRay에 공급해서 수신기가 신호를 적절히 읽어 들이는지 검사한다. 여기에는 FlexRay 수신기에 알려진 패턴을 보냄으로써 그것을 수신된 결과와 비교하는 과정이 포함된다.
-지터를 투입하면 눈이 수평으로 닫힌다.
-진폭을 감소시키면 눈이 수직으로 닫힌다.
-노이즈를 가하면 눈이 더 닫힌다.

사용되는 데이터 패턴의 종류는 주로 DUT에 따라 결정된다. 물리적 계층 시험에는 프로토콜과 일치하는 패턴을 사용해서는 안 된다. PRBS 또는 CJTPAT 등 업계에서 표준으로 사용하는 스트레스 패턴을 사용해야 한다. DUT가 FlexRay 프로토콜을 처리할 수 있다면, 패턴 생성기는 형성된 패턴을 로드할 메모리를 공급한다.[8]
 

AEM_Automotive Electronics Magazine