多通道及多速率高速串行通訊系統(tǒng)的串?dāng)_測量技術(shù)

　　由于在高操作頻率下并行系統(tǒng)存在一些缺陷（如：偏斜、時序預(yù)算及布局限制），許多系統(tǒng)因此轉(zhuǎn)向串行接口傳輸信息。這些串行接口可設(shè)計用于支持多種標(biāo)準(zhǔn)（如：數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)中的 SD-SDI 和 HD-SDI、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的 USB 和 Firewire、雙路 HDMI/DVI 系統(tǒng)中的不同幀解析度/速率下的視頻流）以及多種數(shù)據(jù)速率。事實上，不同串行接口可以在多個通道上同時進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)的傳輸，并集成在同一個器件上（如四獨立通道 SERDES）。這樣，這個器件上將會存在不同速率的高速信號切換。這就引出了一個問題：“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為串?dāng)_。這種效應(yīng)本身可以表現(xiàn)為抖動，也就是在信號邊緣與原本位置的偏移。大量的這種抖動在并行系統(tǒng)中會導(dǎo)致時序預(yù)算不準(zhǔn)確，而在串行系統(tǒng)中會導(dǎo)致時鐘及數(shù)據(jù)恢復(fù) PLL 不正確地恢復(fù)數(shù)據(jù)。

　　由于串?dāng)_有害，所以計算在最壞情況下可能發(fā)生的串?dāng)_量就非常重要。當(dāng)前在串行領(lǐng)域還沒有標(biāo)準(zhǔn)的串?dāng)_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?dāng)_量對可靠的數(shù)據(jù)傳輸是否是可接受。

　　串?dāng)_

　　串?dāng)_是臨近信號蹤跡對另一個信號

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

　　串?dāng)_與入侵者信號的邊緣速率有關(guān)；邊緣速率越快導(dǎo)致越多的串?dāng)_。當(dāng)發(fā)送器的操作頻率增加時，發(fā)送器通常會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（請參見附文：高級串?dāng)_測量章節(jié)：侵入者頻率掃描）。

　　抖動

　　必須關(guān)注串?dāng)_，因為這可能是造成器件中抖動量的一個主要因素。簡單地說，抖動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可能導(dǎo)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，都有一個發(fā)送 PLL 和一個接收 PLL。一個四路獨立通道 SERDES 有四個發(fā)送和接收對，每一對都有自己的參考時鐘。需要注意的一點就是，相鄰的 PLL 在不同頻率間進(jìn)行切換時，可能造成額外的串?dāng)_。本章節(jié)將簡要描述發(fā)送 PLL 的結(jié)構(gòu)以及對其性能所進(jìn)行的測試。接收 PLL 的頻率響應(yīng)特性與此相似，因此也將進(jìn)行類似的測試。

　　發(fā)送 PLL 是一個時鐘乘法器 (CMU)。它從輸入時鐘 (REFCLK) 接收并且輸出 REFCLK 十倍頻率的比特時鐘。 圖 2 顯示了一個發(fā)送器 PLL 的方框圖。通過 PLL 的抖動量取決于抖動從何處進(jìn)入了 PLL。如果抖動通過 REFCLK 輸入端進(jìn)入，則只有低頻組件會傳輸通過，因為 PLL 有低通濾波的作用。低頻抖動對接收器性能的影響很小，因為時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù) (CDR) PLL 可以跟蹤低頻抖動并且正確地接收數(shù)據(jù)。但是，如果在環(huán)路中間注入了抖動（如在 PLL 之間的串?dāng)_），系統(tǒng)就會發(fā)揮高通濾波器的作用。這樣，PLL 之間的串?dāng)_就會成為有害的、高頻抖動的起因。為測試 PLL 之間的性能，將執(zhí)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）。

　　抖動與串?dāng)_測量技術(shù)

　　可以通過兩種方式對串?dāng)_進(jìn)行測量：在時間域的抖動和在頻率域的串?dāng)_。

　　在時間域測量串?dāng)_

　　為測量時間域的抖動，可以在一個高寬帶示波器觀察被干擾者通道的眼圖。通過波形疊加可以形成一個眼圖，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。抖動量則通過分析在可見交叉處形成的直方圖獲取（圖3），可見交叉是正邊緣與負(fù)邊緣的相交點。當(dāng)波形與直方圖窗口交叉時，直方圖中就記錄了一個“相遇”。在其中形成的直方圖符合高斯分布。

　　在這個測量中獲得的兩個重要數(shù)值是峰/峰抖動和均方根 (RMS) 值。峰/峰抖動是直方圖中相遇的最小和最大時間之間的差值。因為抖動的隨機特性，這個值是不確定的，但是如果進(jìn)行長時間的測量，這個值可以提供有幫助的信息。RMS 值（或者稱為標(biāo)準(zhǔn)偏差）則快速收斂于一個穩(wěn)定值。在一個高斯分布中，可以證明，在 1012 比特期間，超過RMS值十四倍的峰/峰抖動出現(xiàn)的幾率小于一次。因此，要保證 10-12誤碼率，接收器的抖動容錯率應(yīng)該大于 RMS 值的十四倍。

　　當(dāng)在時間域測量串?dāng)_時，數(shù)據(jù)模式可以是任何模式（與頻率域章節(jié)提到的指定周期序列不同）。通過這種方式，可以測量真實環(huán)境下系統(tǒng)中的抖動預(yù)算。

　　要判定時間域中串?dāng)_的效應(yīng)，只需要測量在沒有侵入者和有侵入者的情況下被干擾者通道的抖動增量。

　　在頻率域測量串?dāng)_

　　要測量在頻率域的串?dāng)_，可以使用高寬帶頻譜分析儀。被干擾者的基準(zhǔn)頻率的振幅可以與侵入者的基準(zhǔn)頻率的振幅進(jìn)行對比。信號的基準(zhǔn)頻率是該信號的最低自有頻率，也被稱為一次諧波。例如，一個 20MHz 時鐘完美方波的基準(zhǔn)頻率是 20MHz。進(jìn)而，它由多個基準(zhǔn)頻率的積（或者諧函數(shù)）組成的正弦曲線的和構(gòu)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(gòu)成了方波的最常見形態(tài)。因此，如果串?dāng)_分量大大小于五次諧波，那么，它的影響基本可以忽略。