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标题: 多通道及多速率高速串行通讯系统的串扰测量技术 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 15:36
标题: 多通道及多速率高速串行通讯系统的串扰测量技术
　　由于在高操作频率下并行系统存在一些缺陷（如：偏斜、时序预算及布局限制），许多系统因此转向串行接口传输信息。这些串行接口可设计用于支持多种标准（如：数字视频广播系统中的 SD-SDI 和 HD-SDI、数据传输系统中的 USB 和 Firewire、双路 HDMI/DVI 系统中的不同帧解析度/速率下的视频流）以及多种数据速率。事实上，不同串行接口可以在多个通道上同时进行不同标准的传输，并集成在同一个器件上（如四独立通道 SERDES）。这样，这个器件上将会存在不同速率的高速信号切换。这就引出了一个问题：“在这些信号之间是否存在干扰？”

　　由于临近信号的高速切换对信号本身引起的干扰称为串扰。这种效应本身可以表现为抖动，也就是在信号边缘与原本位置的偏移。大量的这种抖动在并行系统中会导致时序预算不准确，而在串行系统中会导致时钟及数据恢复 PLL 不正确地恢复数据。

　　由于串扰有害，所以计算在最坏情况下可能发生的串扰量就非常重要。当前在串行领域还没有标准的串扰测量技术。本文将描述有效的测量技术，以及如何判定串扰量对可靠的数据传输是否是可接受。
　串扰

　　串扰是临近信号踪迹对另一个信号踪迹所产生的交叉耦合效应。被测量的踪迹称为被干扰者。对被干扰者踪迹产生交叉耦合的踪迹称为侵入者，图 1 显示了这种关系。

　　串扰与入侵者信号的边缘速率有关；边缘速率越快导致越多的串扰。当发送器的操作频率增加时，发送器通常会增加边缘速率以提高信号噪声容限。因此，要测量最坏情况，入侵者通道需要切换到最高的频率（请参见附文：高级串扰测量章节：侵入者频率扫描）。

　抖动

　　必须关注串扰，因为这可能是造成器件中抖动量的一个主要因素。简单地说，抖动就是信号边缘与原本位置的偏移。在串行通讯连接中大量的抖动可能导致接收串行比特流中的比特位错误。

　　锁相环路

　　在任何串行器/解串器 (SERDES) 器件中，都有一个发送 PLL 和一个接收 PLL。一个四路独立通道 SERDES 有四个发送和接收对，每一对都有自己的参考时钟。需要注意的一点就是，相邻的 PLL 在不同频率间进行切换时，可能造成额外的串扰。本章节将简要描述发送 PLL 的结构以及对其性能所进行的测试。接收 PLL 的频率响应特性与此相似，因此也将进行类似的测试。

　　发送 PLL 是一个时钟乘法器 (CMU)。它从输入时钟 (REFCLK) 接收并且输出 REFCLK 十倍频率的比特时钟。图 2 显示了一个发送器 PLL 的方框图。通过 PLL 的抖动量取决于抖动从何处进入了 PLL。如果抖动通过 REFCLK 输入端进入，则只有低频组件会传输通过，因为 PLL 有低通滤波的作用。低频抖动对接收器性能的影响很小，因为时钟和数据恢复 (CDR) PLL 可以跟踪低频抖动并且正确地接收数据。但是，如果在环路中间注入了抖动（如在 PLL 之间的串扰），系统就会发挥高通滤波器的作用。这样，PLL 之间的串扰就会成为有害的、高频抖动的起因。为测试 PLL 之间的性能，将执行被干扰者与侵入者 REFCLK 之间的三种频率变化：不同源之间的高频率偏移（ > 100 MHZ）、低频率偏移（ < 1 MHZ）和几乎一致的频率（ < 1 kHZ）。

　　抖动与串扰测量技术

　　可以通过两种方式对串扰进行测量：在时间域的抖动和在频率域的串扰。

　　在时间域测量串扰

　　为测量时间域的抖动，可以在一个高宽带示波器观察被干扰者通道的眼图。通过波形叠加可以形成一个眼图，这些波形的相位之间的相互关系由触发信号的相位差决定。抖动量则通过分析在可见交叉处形成的直方图获取（图3），可见交叉是正边缘与负边缘的相交点。当波形与直方图窗口交叉时，直方图中就记录了一个“相遇”。在其中形成的直方图符合高斯分布。

　　在这个测量中获得的两个重要数值是峰/峰抖动和均方根 (RMS) 值。峰/峰抖动是直方图中相遇的最小和最大时间之间的差值。因为抖动的随机特性，这个值是不确定的，但是如果进行长时间的测量，这个值可以提供有帮助的信息。RMS 值（或者称为标准偏差）则快速收敛于一个稳定值。在一个高斯分布中，可以证明，在 1012 比特期间，超过RMS值十四倍的峰/峰抖动出现的几率小于一次。因此，要保证 10-12误码率，接收器的抖动容错率应该大于 RMS 值的十四倍。

　　当在时间域测量串扰时，数据模式可以是任何模式（与频率域章节提到的指定周期序列不同）。通过这种方式，可以测量真实环境下系统中的抖动预算。

　　要判定时间域中串扰的效应，只需要测量在没有侵入者和有侵入者的情况下被干扰者通道的抖动增量。

　　在频率域测量串扰

　　要测量在频率域的串扰，可以使用高宽带频谱分析仪。被干扰者的基准频率的振幅可以与侵入者的基准频率的振幅进行对比。信号的基准频率是该信号的最低自有频率，也被称为一次谐波。例如，一个 20MHz 时钟完美方波的基准频率是 20MHz。进而，它由多个基准频率的积（或者谐函数）组成的正弦曲线的和构成。最普遍的方形谐波是奇次谐波。一次谐波（在本例中是20MHz）、三次谐波（60MHz）和五次谐波（100MHz）构成了方波的最常见形态。因此，如果串扰分量大大小于五次谐波，那么，它的影响基本可以忽略。

　当查看一个基本随机数据模式的频率响应时，频谱将不仅仅在奇次谐波产生波峰。相反，能量将更多地分布到整个频率区间。在这种情况下，将难以查看串扰的效应，因为频谱能量底限可能比串扰能量要高。这样，在串行数据发送器上测量串扰时，最有效的模式是 1010 类的周期性模式。整个模式看起来就像是方波，所以当不是在奇次谐波时能量底限比较低。

　　串扰测量设备设置

　　图4 显示了一个对多通道高速串行传输器件进行串扰测量的设备设置例子，在这个例子中是一款赛普拉斯 CYV15G0404DXB 独立通道串行器/解串器。每个通道的参考码时钟 (REFCLKx) 由不同的安捷伦 8133A 脉冲发生器提供。脉冲发生器的 RMS 抖动
应当很低，因为其抖动直接与串行输出的抖动相关。因此，减少参考时钟的抖动使得在串行数据通路上查看串扰的效应更容易。安捷伦 8133A 的 RMS 抖动小于 5 ps（典型情况下是 1 ps）。在发送器端的测量是在串行输出 OUTA+ 上进行的。其他通道可以以独立数据速率进行操作。

　　使用安捷伦 86100A 高宽带示波器可进行时间域抖动测量。使用安捷伦 E4407B 频谱分析仪进行频率域测量。

　　为测量最坏情况下串扰的量，所有通道都必须打开，并且发送的信号必须反馈到接收器，以使得串扰的量最大化。在查找串扰的起因时，可以一次打开一个通道然后观察造成最大抖动增量的配置，或者观察造成与侵入者通道频率相关的最高能量峰值情况时的配置。

　　结论

　　采用时间域测量方法，可以更好地理解串扰是如何对系统性能产生影响。因为抖动是造成比特误码的原因，这个测量有助于判定系统的抖动预算。同样地，数据模式可以是任何普通的数据模式（例如，PRBS 23），这样就可以对实际系统进行分析。

　　频率域测量方法在判定串扰的起因时可以作为一个有用的工具。频谱分析仪屏幕图形则提供了一个探测非原始信号峰值的简便方法。这些峰值的频率可用于判定哪个侵入者信号对系统的影响最大，并判定串扰发生在哪里（PLL、信号踪迹、I/O 缓冲区等）。

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　　附文：高级串扰测量章节：侵入者频率扫描

　　本章节将证明，当侵入者边缘速率增加时串扰效应会随之增加。如串扰章节所描述，当操作频率增加时发送器件通常会增加其边缘速率。因此，串扰的效应会随着操作频率的增加而增加。

　　测试设备配置与初始串扰测量配置相同，只不过是频谱分析仪用于测量串行输出。对于所有的测试，被干扰者通道的码时钟都以固定的频率150MHz 进行操作。相反，侵入者通道则在器件所支持的频率范围（19.5MHz ~ 150MHz）内进行扫描摆动。频谱分析仪有一个保留最大值的功能，可以保留每个频率点的最高记录能量。所有通道都以“1010101010”模式进行传输。

　　图a显示了在没有侵入者的情况下被干扰者通道的频谱图。串行数据的基准频率是750MHz。图b显示了侵入者通道的码时钟在全操作频率范围内进行扫描摆动时，被干扰者通道的频谱图。可以在低频范围（<150MHz）看到串扰的效应，尽管这些值小于基准频率的1/100th，仍然可以清楚地看到频率从20MHz~ 150MHz时振幅的增加。

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