通过眼图和BER测试分析高速串行链路的信号质量

2012-08-10 16:50:23来源: 21ic

  无论是连接客户端路由器的千兆以太网接口,还是输出到显示器的低电压差分高清视频信号,在高速串行链路上获得无误码数据是一个巨大挑战。从用户角度看,衡量数字通信系统的基本指标是误码率(BER),它从统计学角度提供了一个评估整体系统失真度的指标,但有效的BER测试非常复杂,是一件成本极其高昂的工作。BER测试对于用户很有用,但对工程师查找出错原因毫无帮助。眼图对于数字通信/网络工程师而言已经成为不可或缺的工具,特别是在数字示波器商用化以后。眼图相对于BER测试的显著优势是能够发现问题的根源并进行改善。

  眼图测试

  早期使用模拟示波器时,工程师利用不同的输入信号描述抖动变化。目前的数字示波器增加了附加功能可完成这一测试。Tektronix的CSA8000可以设置采样时间长度,产生时间抖动和幅度变化的直方图,列出每个参数的统计数据,如均值、中值和方差。简而言之,它能提供足够的数据估算BER,CSA8000提供的规一化统计数据为高斯函数。


  对于没有时序抖动的通道来说,每个间隔采样值的跳变点发生在同一时刻。但是,由于存在抖动,跳变点会发生变化(图1)。抖动包括随机性抖动(RJ)和确定性抖动(DJ)。随机性抖动没有限制,可以用高斯随机变量描述。产生确定性抖动的原因有很多,而且是有限的。图1直方图是对总体抖动(TJ)的测量,它是随机性抖动和确定性抖动之和(TJ = RJ + DJ)。

  可以采用不同技术分离抖动的随机成分,也可以部分地估算BER。估算BER时要考虑随机抖动和确定抖动。但是,利用眼图无法达到BER的测试精度,不能完全取代BER测试。

  利用眼图估计BER

  张开的眼图说明数据失码率较低,系统运行正常。所以,理想眼图每次触发的采样值的跳变点发生在同一时刻。功能上,可以用理想的脉冲描述这些要求(图2)。随机抖动会导致跳变点随时间变化,可以用随机变量表示。最通用的随机抖动模型是高斯函数,实际系统可以用高斯分布很好地建模,高斯随机变量在数学角度也很容易理解,很多数字示波器(CSA8000)提供高斯统计功能。


  由于存在抖动,跳变点可以用概率函数表示,例如用高斯概率密度表示(图2)。另一种方法是可以用高斯随机变量对采样点建模,得到条件误码概率,两种方法给出的答案相同,图2中a2的概率密度函数是:

  a2是跳变点的平均值,z是随机变量,σ为方差或RMS值。为了得到随机变量没有误码的概率,对(1)进行积分。误码概率即是曲线下面的区域。这个区域代表a2的采样结果是a1或a3,或者是a1和a3的跳变点被采样为a2。

  随机变量a2在曲线下方的面积是:

(2)

  和

(3)

  总的误码概率是两个等式之和再乘以2,因为条件概率与a1和a3相关,假设a2的条件概率对称。

(4)

  为了得到a2的误码概率,从a1到无穷大、从a0到负的无穷大对(4)进行积分。考虑到对称性,可以简化得到(5)。

  求解(5)实际上对该式求解并无必要,CSA8000的直方图可以按照高斯随机变量提供规一化的统计数据。高斯统计数据只需要两个参量:均值和方差,方便易用。一般情况下,可以设置均值为零,这样就剩下一个参量。

  方差代表随机抖动,如果希望将随机抖动与确定性抖动分离开,必须给系统输入一个已知模板,然后对采样值区平均后消除随机抖动。假设噪声和随机抖动表现为零均值的高斯随机分布,对采样值取平均后能够消除随机抖动,剩下的只有确定性抖动。然后,可以修改包括确定性抖动的方差,用新的方差估算BER。

  得到方差后,可以计算从均值到下一个采样间隔之间z值的方差,统计函数提供了偏离均值的概率。由于按指数函数衰减,6σ给出的误码概率接近10亿分之一,7σ给出的误码概率接近1万亿分之一。如果没有σ表格,则可以在适当的限制条件下求解式(5)。

关键字:BER  测试分析  串行链路  信号质量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0810/article_5640.html
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