DSP技術(shù)協(xié)助進(jìn)行高速串行數據分析

信號完整性

串行總線(xiàn)技術(shù)上的信號完整性測量已經(jīng)成為設計人員測量工作的重要組成部分，如PCIExpress2.0、串行ATAIII和HDMI1.3。一致性測試中遇到的許多問(wèn)題源于波形上的不理想特點(diǎn)，如噪聲、抖動(dòng)和定時(shí)畸變。串行標準縮窄了定時(shí)容限，要求測量工具中提供更多的帶寬和更高的精度。與此同時(shí)，還要求使測量本身的影響達到最小化。

眼圖測量

示波器的帶寬影響著(zhù)至關(guān)重要的信號眼圖。眼圖是一種行業(yè)標準示波器圖像，也是一致性測試和驗證測試的基石，它顯示1個(gè)數據“位”或單位間隔，所有可能的邊沿跳變和狀態(tài)都疊加在一個(gè)完善的視圖中。得到的屏幕在中心大體呈六角形張開(kāi)區域的周?chē)@示大量的波形軌跡，這有點(diǎn)象“眼睛”，其張開(kāi)程度用來(lái)衡量信號質(zhì)量(“張開(kāi)”得越多越好)。串行邏輯設備必須區分眼圖區域內部清楚的狀態(tài)‘1’或狀態(tài)‘0’，以正確對數據作出響應。通常會(huì )使用圖形“模板”定義眼圖測試通過(guò)/失敗的區域。

在采集信號時(shí)，帶寬不足的示波器滾降的幅度可能會(huì )高達1dB(垂直幅度)。遺憾的是，這種損耗一般會(huì )落在眼圖張開(kāi)的區域中，恰好是進(jìn)行二進(jìn)制判定的地方。因此，充足的帶寬在眼圖測量及邊沿測量中至關(guān)重要。

幸運的是，現在市場(chǎng)上出現了許多儀器，可以提供最關(guān)鍵的定時(shí)和邊沿測量要求的帶寬。最新的串行分析儀擁有20GHz的帶寬，再加上所有通道上50GS/s的采樣率，可以滿(mǎn)足當前使用的全系列串行總線(xiàn)的需求。在這些速率上，波形邊沿10-90%部分的輸入上升時(shí)間僅為22ps。正如本文后面討論的那樣，基于DSP的帶寬增強技術(shù)提供了直到最快速的第一代串行標準第五個(gè)諧波范圍的平坦的頻率性能。這一功能也保證了所有通道中的最優(yōu)頻率和幅度響應匹配。

第五個(gè)諧波測量

大多數第一代串行總線(xiàn)結構的數據速率主要集中在2.5Gbit/s和3.125Gbit/s之間，這些速率似乎完全位于當前4GHz和5GHz示波器的掌控范圍內。但是，信號保真度測量需要的帶寬要高得多，大多數標準機構已經(jīng)認識到這種需求，他們指定速度足夠快的儀器，以捕獲時(shí)鐘信號的第五個(gè)諧波。
捕獲第五個(gè)諧波為檢定和分析快速上升時(shí)間信號提供了所需的精度，同時(shí)為保證準確的結果提供了更多的余量。



圖1說(shuō)明了怎樣增強幅度余量。特別是，它說(shuō)明了20GHz示波器和13GHz示波器之間的差異，表明帶寬更高的儀器在6.25Gbit/s數據流PCI-EGen2信號上提供的余量要高得多。在20GHz時(shí)，它捕獲第五個(gè)諧波，在非?！案蓛舻摹毖蹐D中可以明顯看出充足的余量。在13GHz示波器上，沒(méi)有足夠的帶寬捕獲第五個(gè)信號，信號落在模板外面。
某些標準小組，特別是PCISIG，正努力確定捕獲第五個(gè)諧波必須提供的具體帶寬。

多路結構

更快的串行總線(xiàn)，包括第二代和第三代串行總線(xiàn)結構，如HDMI1.3、SATAIII和PCI-Express2.0，在單路應用中提供了更高的性能，同時(shí)它們也作為串行數據總線(xiàn)結構實(shí)現，其采用多條通路，實(shí)現更高的數據交換速率。在多路配置中，串行數據包先被分解，然后基本上同時(shí)通過(guò)4條、8條或更多的“通路”進(jìn)行傳送(圖2)。在多路串行總線(xiàn)上執行驗證或調試工作的設計人員需要測試解決方案，同時(shí)在4條或4條以上的通路中捕獲實(shí)時(shí)數據，并提供必要的性能，滿(mǎn)足最新一代串行總線(xiàn)技術(shù)。在驗證中，必需在所有信號通路中同時(shí)捕獲數據，并實(shí)現時(shí)間相關(guān)。市場(chǎng)上現在提供了實(shí)時(shí)采樣率高達50GS/s的儀器，可以在所有輸入通道中實(shí)現杰出的時(shí)間分辨率，同時(shí)在全部4條通道上捕獲長(cháng)達4ms的時(shí)間相關(guān)的串行數據業(yè)務(wù)。這種實(shí)時(shí)捕獲能力與深存儲器相結合，使得設計人員能夠在每條通路中分析有問(wèn)題的事件或之前或之后與總線(xiàn)業(yè)務(wù)相關(guān)的錯誤。


抖動(dòng)測試

抖動(dòng)是串行總線(xiàn)開(kāi)發(fā)人員關(guān)注的另一個(gè)問(wèn)題。在某些情況下，必須量化其對各個(gè)信號邊沿的影響，但更重要的是，抖動(dòng)在眼圖測量中發(fā)揮著(zhù)一定的作用。它可以降低上升沿和下降沿相關(guān)的眼圖寬度，可能會(huì )導致模板違規。
如果觀(guān)察到抖動(dòng)，那么抖動(dòng)是來(lái)自被測設備還是由于儀器導致的測量附屬產(chǎn)物示波器的觸發(fā)抖動(dòng)和抖動(dòng)噪底(JNF)可能會(huì )影響測得的抖動(dòng)，它們可能會(huì )使眼圖變窄，產(chǎn)生誤導性的模板失敗。

業(yè)內已經(jīng)開(kāi)發(fā)出精心設計的軟件校正方案，以使示波器的觸發(fā)抖動(dòng)達到最小，這種方法可望改善等效時(shí)間采集模式下的性能，其中必須對每個(gè)樣點(diǎn)重新觸發(fā)采集。但是，觸發(fā)抖動(dòng)對基于單次實(shí)時(shí)采集的抖動(dòng)測量沒(méi)有影響。在這種情況下，JNF系數會(huì )影響等效時(shí)間捕獲和實(shí)時(shí)捕獲。

更好的方法是使用在垂直模數轉換器中擁有充足動(dòng)態(tài)范圍(如垂直格)的儀器，以實(shí)現高信噪比及極低的JNF(典型值為400fsRMS)。這種示波器可以實(shí)現抖動(dòng)測量，儀器本身對抖動(dòng)的影響不大(圖3)。



測量低頻抖動(dòng)是一個(gè)挑戰。它對示波器提出了兩個(gè)相互矛盾的需求：示波器要捕獲細微的定時(shí)細節，同時(shí)要在很長(cháng)的時(shí)間跨度內實(shí)現這一點(diǎn)。為以足夠的分辨率捕獲抖動(dòng)細節，通常必需進(jìn)入最大采樣率(如50GS/s，相當于20ps的采樣間隔)。采樣數據以該速率迅速累積在波形存儲器中。但是，低頻抖動(dòng)趨勢會(huì )在幾毫秒內形成。因此，如果儀器要捕獲足夠的運行周期，確定低頻抖動(dòng)對測量的影響，那么需要非常深的存儲器。

對存儲容量每條通道高達200M樣點(diǎn)的儀器，在全部采樣率下可以存儲最長(cháng)4ms的采樣數據。工程師可以查看各個(gè)邊沿上及幾百萬(wàn)個(gè)周期后發(fā)生的同一波形記錄抖動(dòng)變化中的深入抖動(dòng)細節。



去掉測量影響

串行總線(xiàn)環(huán)境中的新興標準要求從測量結果中去掉測量通道的傳輸影響，其中方式之一是應用數字濾波，在示波器內部執行以前要求單獨步驟和單獨應用軟件的計算操作。

信號濾波工藝可以追溯到模擬電子器件的早期時(shí)代，當時(shí)濾波器是由離散的電阻器、電容器和電感器組成的一個(gè)電路。在當前的DSP領(lǐng)域中，濾波器是一種修改波形形狀、亦即頻率成分的數學(xué)程序，這在很大程度上與原來(lái)的模擬濾波器相同。但是，它以數字方式處理信號，從簡(jiǎn)單的乘法到減法公式，執行各種函數運算。

這一過(guò)程包括把FIR(有限脈沖響應)濾波參數輸入儀器的演算系統中。數字濾波器從測量中去掉計算得出的損耗特點(diǎn)，示波器顯示“清除”后的波形曲線(xiàn)。其結果是一個(gè)不受測量連接影響的眼圖，以及能夠更準確地反映最終用戶(hù)應用中設備運行特點(diǎn)的眼圖。

通過(guò)作為信號路徑不可分割的一部分使用FIR濾波器，可以實(shí)現廣泛的任意濾波特點(diǎn)及高級高速串行測量技術(shù)，包能夠分析不能獲得的信號的“虛擬測試點(diǎn)”。

與以前的模擬技術(shù)相比，DSP濾波器大大提高了精度、線(xiàn)性度和穩定性。FIR濾波器穩定，不能振蕩，表現出線(xiàn)性相位響應，即所有頻率會(huì )以相同的延遲數量通過(guò)濾波器，從而使失真達到最小。此外，FIR濾波器的脈沖響應擁有有限的可以量化的時(shí)間周期，因此可以預測和控制其影響。

濾波可以用于許多示波器測量應用，可以使用濾波解決日益常見(jiàn)的多個(gè)高速測量問(wèn)題。例如，通過(guò)濾波，工程師可以限制帶寬，降低噪聲，同時(shí)保持高定時(shí)分辨率。還可以使用濾波，控制示波器響應在頻率范圍高端之上“滾降”的方式。

用戶(hù)指定的特點(diǎn)

最新一代高性能測試儀器使用任意FIR濾波器，通過(guò)加載在Matlab或類(lèi)似程序中開(kāi)發(fā)的用戶(hù)指定系數，可以簡(jiǎn)便地改變?yōu)V波器的特點(diǎn)(圖4)。



這種用戶(hù)可以定義的濾波技術(shù)為支持高速測量提供了強大的工具。例如，監測信號已經(jīng)成為測量串行數據設備性能的設計人員關(guān)注的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，特別是在測量接收單元時(shí)。有一些信號是通過(guò)任何探頭或測試點(diǎn)都得不到的。

事實(shí)證明，基于這一原因，接收機輸入容限測量極具挑戰性。在正常情況下，串行設備中的接收機輸入對查看信號來(lái)說(shuō)是幾乎沒(méi)有任何意義的接入點(diǎn)，因為感興趣的信號由設備內部的濾波器處理，以偏置通過(guò)電纜、PCB軌跡和連接器傳送時(shí)發(fā)生的劣化。進(jìn)入接收機有源部分的信號封裝在設備內部，因此使用傳統技術(shù)是不能獲得這些信號的，但是，必須評估其眼圖和其它特點(diǎn)。

解決方案是使用DSP濾波器，模擬接收機內部濾波器的效應。用戶(hù)可以把在設計被測設備濾波器時(shí)使用的相同的系數加載到示波器中。在應用濾波后，示波器用戶(hù)可以探測輸入針腳，同時(shí)查看信號，就象在內部探測設備一樣。這種“虛擬測試點(diǎn)”揭示了接收機濾波后的信號，即使物理測試點(diǎn)是設備封裝上的一個(gè)針腳。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“反嵌”。

可以使用基于DSP的濾波器，實(shí)現當前首選的信號濾波技術(shù)，包括判定反饋平衡(DFE)。專(zhuān)有的DFE濾波器是當前許多高級串行收發(fā)機中使用的技術(shù)。示波器內部的數字濾波器可以接受任意FIR濾波系數，可以把DFE系數快照加載到示波器中，對DFE信號進(jìn)行后期處理。

還可以使用DSP濾波，使連接到被測設備的夾具和電纜的影響達到最小。通過(guò)檢定或建模夾具，把信息轉換成相應的濾波系數，示波器用戶(hù)可以開(kāi)發(fā)“調出”外部單元導致的相移和信號劣化的濾波器。

使用DSP增強采集性能

數字信號處理技術(shù)可以在整個(gè)示波器采集系統中提供許多好處，包括增強頻率和相位響應、通道匹配、探頭系統性能、信噪比行為及其它關(guān)鍵特點(diǎn)。

可以使用基于DSP的通道性能增強功能，實(shí)現異常平坦的幅度響應和相位線(xiàn)性度。在理想情況下，示波器的幅度響應在其帶寬覆蓋的整個(gè)頻率范圍內會(huì )保持不變，沒(méi)有峰值或暫降。在傳統示波器采集系統中，這種理想狀態(tài)是不能實(shí)現的，但通過(guò)使用DSP，可以使不規則狀態(tài)平滑化，在整個(gè)帶寬中平衡響應。這種方法的好處是可以直到指定帶寬極限，實(shí)現杰出的測量精度。例如，在12GHz示波器中，可以捕獲頻率為10GHz的信號，其精度基本上與100MHz頻率的信號相同。在整個(gè)范圍內，信號保真度會(huì )保持一致。

DSP處理還有助于改善儀器的頻率滾降特點(diǎn)。這里的目標是控制響應下降的速度，以在保存瞬態(tài)響應及降低帶外噪聲之間實(shí)現最佳平衡。滾降太緩會(huì )導致更多的高頻噪聲成分進(jìn)入測量頻段。滾降太急可能會(huì )使支持準確平滑瞬態(tài)響應所需的高頻率發(fā)生衰減。DSP可以非常準確地控制滾降的跳變沿，在噪聲抑制和瞬態(tài)響應之間實(shí)現最優(yōu)平衡，實(shí)現非常高的信號保真度。

還可以使用DSP，提供非常準確的通道匹配，其中把每條通道校準到同樣的理想響應特點(diǎn)。在多路串行技術(shù)上執行偽差分測量或通道到通道測量時(shí)，在多條通道中獲得幾乎完全相同的階躍進(jìn)響應具有極其重要的意義。也可以使用這些技術(shù)，保證多臺儀器之間實(shí)現準確的通道匹配。

還可以在探測信號路徑中使用DSP，令示波器考慮相應差分探頭及其高帶寬可拆卸尖端的特點(diǎn)。

這里，DSP段作為標稱(chēng)平衡濾波器使用，其專(zhuān)用于探頭路徑，與以前相比，更緊密地把探頭有效集成到示波器系統中，保證探頭和示波器相結合，實(shí)現最平坦的頻率響應。

總結

隨著(zhù)每秒幾千兆位的串行總線(xiàn)標準的出現，信號完整性在整體系統性能中的重要性正在不斷提高。新一代高性能測試儀器提供了足夠高的帶寬和采樣率，支持干凈、準確地捕獲高速串行波形特點(diǎn)和眼圖，滿(mǎn)足了串行總線(xiàn)開(kāi)發(fā)人員的需求。由于超低內部抖動(dòng)，這些工具可以在對測量影響最小的情況下，測量信號抖動(dòng)。此外，由于新的內置濾波工具，示波器可以從結果中消除測量路徑的影響，這正成為串行總線(xiàn)標準中更加常見(jiàn)的要求。這些DSP濾波器已經(jīng)成為測量高速數字設備中不可缺少的設備，特別是測量當前計算平臺和網(wǎng)絡(luò )平臺中使用的串行元件時(shí)。正如本文所闡述的那樣，可以使用DSP工具，消除探頭和夾具的影響，允許設計人員使用“虛擬測試點(diǎn)”，查看設計中不能接入的節點(diǎn)中出現的信號。