多通道及多速率高速串行通訊系統的串擾測量技術(shù)

　　由于在高操作頻率下并行系統存在一些缺陷（如：偏斜、時(shí)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(shí)上，不同串行接口可以在多個(gè)通道上同時(shí)進(jìn)行不同標準的傳輸，并集成在同一個(gè)器件上（如四獨立通道 SERDES）。這樣，這個(gè)器件上將會(huì )存在不同速率的高速信號切換。這就引出了一個(gè)問(wèn)題：“在這些信號之間是否存在干擾？”

　　由于臨近信號的高速切換對信號本身引起的干擾稱(chēng)為串擾。這種效應本身可以表現為抖動(dòng)，也就是在信號邊緣與原本位置的偏移。大量的這種抖動(dòng)在并行系統中會(huì )導致時(shí)序預算不準確，而在串行系統中會(huì )導致時(shí)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(fā)生的串擾量就非常重要。當前在串行領(lǐng)域還沒(méi)有標準的串擾測量技術(shù)。本文將描述有效的測量技術(shù)，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(gè)信號

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

　　串擾與入侵者信號的邊緣速率有關(guān)；邊緣速率越快導致越多的串擾。當發(fā)送器的操作頻率增加時(shí)，發(fā)送器通常會(huì )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(jiàn)附文：高級串擾測量章節：侵入者頻率掃描）。

　　抖動(dòng)

　　必須關(guān)注串擾，因為這可能是造成器件中抖動(dòng)量的一個(gè)主要因素。簡(jiǎn)單地說(shuō)，抖動(dòng)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(dòng)可能導致接收串行比特流中的比特位錯誤。

　　鎖相環(huán)路

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

　　發(fā)送 PLL 是一個(gè)時(shí)鐘乘法器 (CMU)。它從輸入時(shí)鐘 (REFCLK) 接收并且輸出 REFCLK 十倍頻率的比特時(shí)鐘。 圖 2 顯示了一個(gè)發(fā)送器 PLL 的方框圖。通過(guò) PLL 的抖動(dòng)量取決于抖動(dòng)從何處進(jìn)入了 PLL。如果抖動(dòng)通過(guò) REFCLK 輸入端進(jìn)入，則只有低頻組件會(huì )傳輸通過(guò)，因為 PLL 有低通濾波的作用。低頻抖動(dòng)對接收器性能的影響很小，因為時(shí)鐘和數據恢復 (CDR) PLL 可以跟蹤低頻抖動(dòng)并且正確地接收數據。但是，如果在環(huán)路中間注入了抖動(dòng)（如在 PLL 之間的串擾），系統就會(huì )發(fā)揮高通濾波器的作用。這樣，PLL 之間的串擾就會(huì )成為有害的、高頻抖動(dòng)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(dòng)與串擾測量技術(shù)

　　可以通過(guò)兩種方式對串擾進(jìn)行測量：在時(shí)間域的抖動(dòng)和在頻率域的串擾。

　　在時(shí)間域測量串擾

　　為測量時(shí)間域的抖動(dòng)，可以在一個(gè)高寬帶示波器觀(guān)察被干擾者通道的眼圖。通過(guò)波形疊加可以形成一個(gè)眼圖，這些波形的相位之間的相互關(guān)系由觸發(fā)信號的相位差決定。抖動(dòng)量則通過(guò)分析在可見(jiàn)交叉處形成的直方圖獲?。▓D3），可見(jiàn)交叉是正邊緣與負邊緣的相交點(diǎn)。當波形與直方圖窗口交叉時(shí)，直方圖中就記錄了一個(gè)“相遇”。在其中形成的直方圖符合高斯分布。

　　在這個(gè)測量中獲得的兩個(gè)重要數值是峰/峰抖動(dòng)和均方根 (RMS) 值。峰/峰抖動(dòng)是直方圖中相遇的最小和最大時(shí)間之間的差值。因為抖動(dòng)的隨機特性，這個(gè)值是不確定的，但是如果進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的測量，這個(gè)值可以提供有幫助的信息。RMS 值（或者稱(chēng)為標準偏差）則快速收斂于一個(gè)穩定值。在一個(gè)高斯分布中，可以證明，在 1012 比特期間，超過(guò)RMS值十四倍的峰/峰抖動(dòng)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(dòng)容錯率應該大于 RMS 值的十四倍。

　　當在時(shí)間域測量串擾時(shí)，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(guò)這種方式，可以測量真實(shí)環(huán)境下系統中的抖動(dòng)預算。

　　要判定時(shí)間域中串擾的效應，只需要測量在沒(méi)有侵入者和有侵入者的情況下被干擾者通道的抖動(dòng)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(jìn)行對比。信號的基準頻率是該信號的最低自有頻率，也被稱(chēng)為一次諧波。例如，一個(gè) 20MHz 時(shí)鐘完美方波的基準頻率是 20MHz。進(jìn)而，它由多個(gè)基準頻率的積（或者諧函數）組成的正弦曲線(xiàn)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(jiàn)形態(tài)。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。