多通道及多速率高速串行通讯系统的串扰测量技术

2012-09-01 10:52:35来源: 21ic

  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?”

图1被干扰者与侵入者踪迹


  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。

图2发送器PLL原理方框图


  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。

图3在可见交叉处的抖动测量


  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。

图4被干扰者通道的频谱图


  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。

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关键字:多通道  通讯系统  多速率  串扰测量技术

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0901/article_5817.html
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