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多通道及多速率高速串行通訊系統的串擾測量技術

作者: 時間:2012-09-01 來源:網絡 收藏

  由于在高操作頻率下并行系統存在一些缺陷(如:偏斜、時序預算及布局限制),許多系統因此轉向串行接口傳輸信息。這些串行接口可設計用于支持多種標準(如:數字視頻廣播系統中的 SD-SDI 和 HD-SDI、數據傳輸系統中的 USB 和 Firewire、雙路 HDMI/DVI 系統中的不同幀解析度/速率下的視頻流)以及多種數據速率。事實上,不同串行接口可以在多個通道上同時進行不同標準的傳輸,并集成在同一個器件上(如四獨立通道 SERDES)。這樣,這個器件上將會存在不同速率的高速信號切換。這就引出了一個問題:“在這些信號之間是否存在干擾?”

圖1被干擾者與侵入者蹤跡


  由于臨近信號的高速切換對信號本身引起的干擾稱為串擾。這種效應本身可以表現為抖動,也就是在信號邊緣與原本位置的偏移。大量的這種抖動在并行系統中會導致時序預算不準確,而在串行系統中會導致時鐘及數據恢復 PLL 不正確地恢復數據。

  由于串擾有害,所以計算在最壞情況下可能發生的串擾量就非常重要。當前在串行領域還沒有標準的串擾測量技術。本文將描述有效的測量技術,以及如何判定串擾量對可靠的數據傳輸是否是可接受。

  串擾

  串擾是臨近信號蹤跡對另一個信號

蹤跡所產生的交叉耦合效應。被測量的蹤跡稱為被干擾者。對被干擾者蹤跡產生交叉耦合的蹤跡稱為侵入者,圖 1 顯示了這種關系。

  串擾與入侵者信號的邊緣速率有關;邊緣速率越快導致越多的串擾。當發送器的操作頻率增加時,發送器通常會增加邊緣速率以提高信號噪聲容限。因此,要測量最壞情況,入侵者通道需要切換到最高的頻率(請參見附文:高級串擾測量章節:侵入者頻率掃描)。

  抖動

  必須關注串擾,因為這可能是造成器件中抖動量的一個主要因素。簡單地說,抖動就是信號邊緣與原本位置的偏移。在串行通訊連接中大量的抖動可能導致接收串行比特流中的比特位錯誤。

  鎖相環路

  在任何串行器/解串器 (SERDES) 器件中,都有一個發送 PLL 和一個接收 PLL。一個四路獨立通道 SERDES 有四個發送和接收對,每一對都有自己的參考時鐘。需要注意的一點就是,相鄰的 PLL 在不同頻率間進行切換時,可能造成額外的串擾。本章節將簡要描述發送 PLL 的結構以及對其性能所進行的測試。接收 PLL 的頻率響應特性與此相似,因此也將進行類似的測試。

圖2發送器PLL原理方框圖


  發送 PLL 是一個時鐘乘法器 (CMU)。它從輸入時鐘 (REFCLK) 接收并且輸出 REFCLK 十倍頻率的比特時鐘。 圖 2 顯示了一個發送器 PLL 的方框圖。通過 PLL 的抖動量取決于抖動從何處進入了 PLL。如果抖動通過 REFCLK 輸入端進入,則只有低頻組件會傳輸通過,因為 PLL 有低通濾波的作用。低頻抖動對接收器性能的影響很小,因為時鐘和數據恢復 (CDR) PLL 可以跟蹤低頻抖動并且正確地接收數據。但是,如果在環路中間注入了抖動(如在 PLL 之間的串擾),系統就會發揮高通濾波器的作用。這樣,PLL 之間的串擾就會成為有害的、高頻抖動的起因。為測試 PLL 之間的性能,將執行被干擾者與侵入者 REFCLK 之間的三種頻率變化:不同源之間的高頻率偏移( > 100 MHZ)、低頻率偏移( 1 MHZ)和幾乎一致的頻率( 1 kHZ)。

  抖動與

  可以通過兩種方式對串擾進行測量:在時間域的抖動和在頻率域的串擾。

  在時間域測量串擾

  為測量時間域的抖動,可以在一個高寬帶示波器觀察被干擾者通道的眼圖。通過波形疊加可以形成一個眼圖,這些波形的相位之間的相互關系由觸發信號的相位差決定。抖動量則通過分析在可見交叉處形成的直方圖獲取(圖3),可見交叉是正邊緣與負邊緣的相交點。當波形與直方圖窗口交叉時,直方圖中就記錄了一個“相遇”。在其中形成的直方圖符合高斯分布。

圖3在可見交叉處的抖動測量


  在這個測量中獲得的兩個重要數值是峰/峰抖動和均方根 (RMS) 值。峰/峰抖動是直方圖中相遇的最小和最大時間之間的差值。因為抖動的隨機特性,這個值是不確定的,但是如果進行長時間的測量,這個值可以提供有幫助的信息。RMS 值(或者稱為標準偏差)則快速收斂于一個穩定值。在一個高斯分布中,可以證明,在 1012 比特期間,超過RMS值十四倍的峰/峰抖動出現的幾率小于一次。因此,要保證 10-12誤碼率,接收器的抖動容錯率應該大于 RMS 值的十四倍。

圖4被干擾者通道的頻譜圖


  當在時間域測量串擾時,數據模式可以是任何模式(與頻率域章節提到的指定周期序列不同)。通過這種方式,可以測量真實環境下系統中的抖動預算。

  要判定時間域中串擾的效應,只需要測量在沒有侵入者和有侵入者的情況下被干擾者通道的抖動增量。

  在頻率域測量串擾

  要測量在頻率域的串擾,可以使用高寬帶頻譜分析儀。被干擾者的基準頻率的振幅可以與侵入者的基準頻率的振幅進行對比。信號的基準頻率是該信號的最低自有頻率,也被稱為一次諧波。例如,一個 20MHz 時鐘完美方波的基準頻率是 20MHz。進而,它由多個基準頻率的積(或者諧函數)組成的正弦曲線的和構成。最普遍的方形諧波是奇次諧波。一次諧波(在本例中是20MHz)、三次諧波(60MHz)和五次諧波(100MHz)構成了方波的最常見形態。因此,如果串擾分量大大小于五次諧波,那么,它的影響基本可以忽略。


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