로이엔텍 - Jitter – Part3. 오실로스코프를 이용한 데이터 지터 분석 / 로데슈바르즈

안녕하세요. 지난 포스팅에서는 오실로스코프를 이용한 클럭 신호에 대한 지터를 분석하는 방법에 대해 말씀드렸습니다.

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지난 자료를 통해 말씀드린 것처럼, 지터는 고속 데이터 통신에 사용되는 클럭, 임베디드 클럭이 사용되는 데이터 통신, 레이다 송수신, RF 통신 등의 신호 품질에 영향을 주게 됩니다.

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지난 포스팅의 '클럭 신호에 대한 지터 분석 방법'에 이어 임베디드 클럭이 포함된 데이터 지터를 분석하는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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* Jitter - Part2. 오실로스코프를 이용한 클럭 지터 분석

 

로이엔텍 - Jitter - Part2. 오실로스코프를 이용한 클럭 지터 분석 / 로데슈바르즈

 

그림 1. 지터 분석이 필요한 다양한 어플리케이션

 

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Asynchronous communication

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저속 데이터 통신 : 데이터 통신에서 클럭 정보를 전달하기 위한 가장 간단한 방법 중 하나는 클럭 정보를 별도의 클럭 라인을 사용하여 전달하는 것입니다. 이 방법은 저속 데이터 통신에서 주로 사용됩니다. 데이터와 클럭은 별도의 선로를 통해 전송되며, 수신기에서 클럭 정보를 사용하여 데이터를 샘플링합니다. 이 방법은 간단하고 안정적이지만 케이블 및 연결이 복잡해질 수 있으며, 동일한 길이의 클럭과 데이터 라인이 사용되어야 합니다. 또한 클럭 라인에서 전력이 소비되고 EMI 노이즈가 방출될 수 있습니다.

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고속 직렬 데이터 통신 : USB, PCIe 를 비롯한 각종 고속 데이터 통신에서 직렬 데이터 전송 방식을 사용합니다. 직렬 데이터 통신에서는 데이터와 클럭이 하나의 직렬 신호로 결합되어 전송됩니다(Asynchronous Communication). 이 경우, 클럭 복원(Clock Recovery)을 위한 특수한 회로(PLL)를 사용하여 수신기에서 클럭 신호를 복원하고 데이터를 샘플링합니다. 이와 같은 벙법은 데이터의 전송 속도를 높이고 복잡한 케이블 및 연결을 줄이는 데 도움이 됩니다.

그림 2. Asynchronous Communcation

 

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정확한 신호 전달을 위해 송신기에서 클럭 정보가 포함된 데이터를 송신하게 되면, 수신기에서는 클럭 정보를 복원하여 수신된 데이터를 복원하게 됩니다.

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수신단의 데이터 복원

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통신 시스템이 동작하기 위해서는 입력한 데이터가 원활하게 송수신되어야 하는데, 송신기에서 보내진 데이터는 전송 과정에서 왜곡이 발생되게 되며, 아래의 과정을 통해 원래의 신호를 복원하게 됩니다.

그림 3. 수신단의 데이터 복원

 

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1. Equalization

Equalization은 데이터 통신에서 수신된 신호의 왜곡을 보상하는 프로세스입니다. 데이터가 채널을 통과하면서 신호는 왜곡될 수 있으며, 이러한 왜곡은 데이터 신호의 형태를 변형시키고, 시간적인 왜곡(지터)을 유발할 수 있습니다. Equalization은 이러한 왜곡을 보상하기 위하여 데이터 신호를 원래의 형태로 복원하고 안정적으로 데이터를 추출할 수 있도록 도와줍니다.

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2. Clock Data Recovery (CDR)

클럭 복원 : 시리얼 데이터 버스에서 데이터를 안정적으로 수신하려면 데이터를 샘플링하기 위한 클럭이 필요합니다. PLL은 수신된 데이터에서 클럭 신호를 복원하고 안정적인 클럭 신호를 생성합니다. 이렇게 복원된 클럭은 데이터를 올바르게 샘플링하는 데 사용됩니다.

클럭 동기화 : 데이터 송신기에서 생성된 클럭과 수신기에서 복원된 클럭은 시간적으로 일치해야 합니다. PLL 회로를 통해 두 클럭 신호 사이의 상대적인 위상 차이를 감지하고 조절하여 클럭 동기화를 유지합니다. 이는 데이터가 올바르게 동기화되고 수신되는 데 중요한 역할을 합니다.

데이터 지터 분석 : 데이터에 대한 지터 성분은 데이터 신호의 안정성과 성능에 영향을 미치게 됩니다. CDR 트리거를 사용하게 되면 데이터 지터를 정확하게 분석하고 문제를 파악할 수 있습니다. 데이터의 지터 성분을 정확하게 이해하게 되면 시스템을 최적화하는 데 도움이 되며 안정적인 데이터 신호는 통신 시스템의 성능을 향상시키고 에러율을 낮추게 됩니다.

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3. Phase-Locked Loop (PLL)

CDR Trigger 는 입력 데이터 신호에서 클럭 신호를 복원하는 데 사용됩니다. 이 때, PLL 회로가 CDR Trigger 에 사용될 수 있습니다. PLL 은 입력 데이터의 상승 에지나 하강 에지와 같은 특정 이벤트를 감지하고 클럭 신호를 복원하기 위해 사용됩니다.

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PLL 회로는 아래와 같이 동작합니다.

그림 4. PLL 회로

 

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1) VCO 로부터 출력된 신호를 위상 비교기로 피드백합니다.

2) 입력된 신호와 피드백된 출력 주파수를 비교시킬 때, 주파수가 너무 높으면 비교하기 어렵기 때문에 적절한 비율로 나누어 비교하기 좋은 주파수로 변경합니다.

3) 위상 비교기를 통해 비교된 펄스폭에 비례하는 전류를 펄스 부호에 따라 밀거나 당겨줍니다.

4) 저역통과필터 (LPF) 는 Loop 동작 중에 발생하는 각종 필요 없는 주파수를 걸러내고, VCO 로 입력되는 전압을 제어하여 출력을 변경합니다.

5) VCO 가 입력을 받게 되면 출력 VCO 의 위상이 변경됩니다.

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위와 같은 과정을 통해 위상 오차 변동이 줄어들고, 주파수 오차가 점점 작아지게 되면 주파수가 안정화되게 됩니다.

그림 5. PLL 회로에 의해 안정된 클럭

 

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위와 같이, 로데슈바르즈 오실로스코프는 수신된 데이터를 CDR 트리거를 이용하여 보다 신속하게 안정화하고, 아래와 같은 강력한 지터 분석 솔루션(Jitter Analysis)을 이용하여 데이터 성분에 대한 다양한 지터 분석을 지원하고 있습니다.

그림 6. 로데슈바르즈 오실로스코프를 이용한 데이터 지터 분석

 

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* Jitter - Part1. 지터(Jitter)와 지터 측정을 위한 계측장비

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작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀

이메일 : sales.korea@rohde-schwarz.com

출처 - https://blog.naver.com/rohdeschwarzkorea/223229161041

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