DSP技術(shù)協(xié)助進(jìn)行高速串行數(shù)據(jù)分析

信號完整性

串行總線技術(shù)上的信號完整性測量已經(jīng)成為設(shè)計(jì)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題源于波形上的不理想特點(diǎn)，如噪聲、抖動和定時畸變。串行標(biāo)準(zhǔn)縮窄了定時容限，要求測量工具中提供更多的帶寬和更高的精度。與此同時，還要求使測量本身的影響達(dá)到最小化。

眼圖測量

示波器的帶寬影響著至關(guān)重要的信號眼圖。眼圖是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)示波器圖像，也是一致性測試和驗(yàn)證測試的基石，它顯示1個數(shù)據(jù)“位”或單位間隔，所有可能的邊沿跳變和狀態(tài)都疊加在一個完善的視圖中。得到的屏幕在中心大體呈六角形張開區(qū)域的周圍顯示大量的波形軌跡，這有點(diǎn)象“眼睛”，其張開程度用來衡量信號質(zhì)量(“張開”得越多越好)。串行邏輯設(shè)備必須區(qū)分眼圖區(qū)域內(nèi)部清楚的狀態(tài)‘1’或狀態(tài)‘0’，以正確對數(shù)據(jù)作出響應(yīng)。通常會使用圖形“模板”定義眼圖測試通過/失敗的區(qū)域。

在采集信號時，帶寬不足的示波器滾降的幅度可能會高達(dá)1dB(垂直幅度)。遺憾的是，這種損耗一般會落在眼圖張開的區(qū)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(yùn)的是，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了許多儀器，可以提供最關(guān)鍵的定時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，可以滿足當(dāng)前使用的全系列串行總線的需求。在這些速率上，波形邊沿10-90%部分的輸入上升時間僅為22ps。正如本文后面討論的那樣，基于DSP的帶寬增強(qiáng)技術(shù)提供了直到最快速的第一代串行標(biāo)準(zhǔn)第五個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(yīng)匹配。

第五個諧波測量

大多數(shù)第一代串行總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)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(dāng)前4GHz和5GHz示波器的掌控范圍內(nèi)。但是，信號保真度測量需要的帶寬要高得多，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)認(rèn)識到這種需求，他們指定速度足夠快的儀器，以捕獲時鐘信號的第五個諧波。
捕獲第五個諧波為檢定和分析快速上升時間信號提供了所需的精度，同時為保證準(zhǔn)確的結(jié)果提供了更多的余量。



圖1說明了怎樣增強(qiáng)幅度余量。特別是，它說明了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(shù)據(jù)流PCI-EGen2信號上提供的余量要高得多。在20GHz時，它捕獲第五個諧波，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，沒有足夠的帶寬捕獲第五個信號，信號落在模板外面。
某些標(biāo)準(zhǔn)小組，特別是PCISIG，正努力確定捕獲第五個諧波必須提供的具體帶寬。

多路結(jié)構(gòu)

更快的串行總線，包括第二代和第三代串行總線結(jié)構(gòu)，如HDMI1.3、SATAIII和PCI-Express2.0，在單路應(yīng)用中提供了更高的性能，同時它們也作為串行數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其采用多條通路，實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)交換速率。在多路配置中，串行數(shù)據(jù)包先被分解，然后基本上同時通過4條、8條或更多的“通路”進(jìn)行傳送(圖2)。在多路串行總線上執(zhí)行驗(yàn)證或調(diào)試工作的設(shè)計(jì)人員需要測試解決方案，同時在4條或4條以上的通路中捕獲實(shí)時數(shù)據(jù)，并提供必要的性能，滿足最新一代串行總線技術(shù)。在驗(yàn)證中，必需在所有信號通路中同時捕獲數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)時間相關(guān)。市場上現(xiàn)在提供了實(shí)時采樣率高達(dá)50GS/s的儀器，可以在所有輸入通道中實(shí)現(xiàn)杰出的時間分辨率，同時在全部4條通道上捕獲長達(dá)4ms的時間相關(guān)的串行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這種實(shí)時捕獲能力與深存儲器相結(jié)合，使得設(shè)計(jì)人員能夠在每條通路中分析有問題的事件或之前或之后與總線業(yè)務(wù)相關(guān)的錯誤。


抖動測試

抖動是串行總線開發(fā)人員關(guān)注的另一個問題。在某些情況下，必須量化其對各個信號邊沿的影響，但更重要的是，抖動在眼圖測量中發(fā)揮著一定的作用。它可以降低上升沿和下降沿相關(guān)的眼圖寬度，可能會導(dǎo)致模板違規(guī)。
如果觀察到抖動，那么抖動是來自被測設(shè)備還是由于儀器導(dǎo)致的測量附屬產(chǎn)物示波器的觸發(fā)抖動和抖動噪底(JNF)可能會影響測得的抖動，它們可能會使眼圖變窄，產(chǎn)生誤導(dǎo)性的模板失敗。

業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出精心設(shè)計(jì)的軟件校正方案，以使示波器的觸發(fā)抖動達(dá)到最小，這種方法可望改善等效時間采集模式下的性能，其中必須對每個樣點(diǎn)重新觸發(fā)采集。但是，觸發(fā)抖動對基于單次實(shí)時采集的抖動測量沒有影響。在這種情況下，JNF系數(shù)會影響等效時間捕獲和實(shí)時捕獲。

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



測量低頻抖動是一個挑戰(zhàn)。它對示波器提出了兩個相互矛盾的需求：示波器要捕獲細(xì)微的定時細(xì)節(jié)，同時要在很長的時間跨度內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。為以足夠的分辨率捕獲抖動細(xì)節(jié)，通常必需進(jìn)入最大采樣率(如50GS/s，相當(dāng)于20ps的采樣間隔)。采樣數(shù)據(jù)以該速率迅速累積在波形存儲器中。但是，低頻抖動趨勢會在幾毫秒內(nèi)形成。因此，如果儀器要捕獲足夠的運(yùn)行周期，確定低頻抖動對測量的影響，那么需要非常深的存儲器。

對存儲容量每條通道高達(dá)200M樣點(diǎn)的儀器，在全部采樣率下可以存儲最長4ms的采樣數(shù)據(jù)。工程師可以查看各個邊沿上及幾百萬個周期后發(fā)生的同一波形記錄抖動變化中的深入抖動細(xì)節(jié)。



去掉測量影響

串行總線環(huán)境中的新興標(biāo)準(zhǔn)要求從測量結(jié)果中去掉測量通道的傳輸影響，其中方式之一是應(yīng)用數(shù)字濾波，在示波器內(nèi)部執(zhí)行以前要求單獨(dú)步驟和單獨(dú)應(yīng)用軟件的計(jì)算操作。

信號濾波工藝可以追溯到模擬電子器件的早期時代，當(dāng)時濾波器是由離散的電阻器、電容器和電感器組成的一個電路。在當(dāng)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(shù)學(xué)程序，這在很大程度上與原來的模擬濾波器相同。但是，它以數(shù)字方式處理信號，從簡單的乘法到減法公式，執(zhí)行各種函數(shù)運(yùn)算。

這一過程包括把FIR(有限脈沖響應(yīng))濾波參數(shù)輸入儀器的演算系統(tǒng)中。數(shù)字濾波器從測量中去掉計(jì)算得出的損耗特點(diǎn)，示波器顯示“清除”后的波形曲線。其結(jié)果是一個不受測量連接影響的眼圖，以及能夠更準(zhǔn)確地反映最終用戶應(yīng)用中設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)的眼圖。

通過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(xiàn)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、線性度和穩(wěn)定性。FIR濾波器穩(wěn)定，不能振蕩，表現(xiàn)出線性相位響應(yīng)，即所有頻率會以相同的延遲數(shù)量通過濾波器，從而使失真達(dá)到最小。此外，F(xiàn)IR濾波器的脈沖響應(yīng)擁有有限的可以量化的時間周期，因此可以預(yù)測和控制其影響。

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

用戶指定的特點(diǎn)

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



這種用戶可以定義的濾波技術(shù)為支持高速測量提供了強(qiáng)大的工具。例如，監(jiān)測信號已經(jīng)成為測量串行數(shù)據(jù)設(shè)備性能的設(shè)計(jì)人員關(guān)注的一個關(guān)鍵問題，特別是在測量接收單元時。有一些信號是通過任何探頭或測試點(diǎn)都得不到的。

事實(shí)證明，基于這一原因，接收機(jī)輸入容限測量極具挑戰(zhàn)性。在正常情況下，串行設(shè)備中的接收機(jī)輸入對查看信號來說是幾乎沒有任何意義的接入點(diǎn)，因?yàn)楦信d趣的信號由設(shè)備內(nèi)部的濾波器處理，以偏置通過電纜、PCB軌跡和連接器傳送時發(fā)生的劣化。進(jìn)入接收機(jī)有源部分的信號封裝在設(shè)備內(nèi)部，因此使用傳統(tǒng)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(jī)內(nèi)部濾波器的效應(yīng)。用戶可以把在設(shè)計(jì)被測設(shè)備濾波器時使用的相同的系數(shù)加載到示波器中。在應(yīng)用濾波后，示波器用戶可以探測輸入針腳，同時查看信號，就象在內(nèi)部探測設(shè)備一樣。這種“虛擬測試點(diǎn)”揭示了接收機(jī)濾波后的信號，即使物理測試點(diǎn)是設(shè)備封裝上的一個針腳。這個過程稱為“反嵌”。

可以使用基于DSP的濾波器，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前首選的信號濾波技術(shù)，包括判定反饋平衡(DFE)。專有的DFE濾波器是當(dāng)前許多高級串行收發(fā)機(jī)中使用的技術(shù)。示波器內(nèi)部的數(shù)字濾波器可以接受任意FIR濾波系數(shù)，可以把DFE系數(shù)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(shè)備的夾具和電纜的影響達(dá)到最小。通過檢定或建模夾具，把信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濾波系數(shù)，示波器用戶可以開發(fā)“調(diào)出”外部單元導(dǎo)致的相移和信號劣化的濾波器。

使用DSP增強(qiáng)采集性能

數(shù)字信號處理技術(shù)可以在整個示波器采集系統(tǒng)中提供許多好處，包括增強(qiáng)頻率和相位響應(yīng)、通道匹配、探頭系統(tǒng)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(qiáng)功能，實(shí)現(xiàn)異常平坦的幅度響應(yīng)和相位線性度。在理想情況下，示波器的幅度響應(yīng)在其帶寬覆蓋的整個頻率范圍內(nèi)會保持不變，沒有峰值或暫降。在傳統(tǒng)示波器采集系統(tǒng)中，這種理想狀態(tài)是不能實(shí)現(xiàn)的，但通過使用DSP，可以使不規(guī)則狀態(tài)平滑化，在整個帶寬中平衡響應(yīng)。這種方法的好處是可以直到指定帶寬極限，實(shí)現(xiàn)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。在整個范圍內(nèi)，信號保真度會保持一致。

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

還可以使用DSP，提供非常準(zhǔn)確的通道匹配，其中把每條通道校準(zhǔn)到同樣的理想響應(yīng)特點(diǎn)。在多路串行技術(shù)上執(zhí)行偽差分測量或通道到通道測量時，在多條通道中獲得幾乎完全相同的階躍進(jìn)響應(yīng)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(xiàn)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)稱平衡濾波器使用，其專用于探頭路徑，與以前相比，更緊密地把探頭有效集成到示波器系統(tǒng)中，保證探頭和示波器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最平坦的頻率響應(yīng)。

總結(jié)

隨著每秒幾千兆位的串行總線標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，信號完整性在整體系統(tǒng)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(zhǔn)確地捕獲高速串行波形特點(diǎn)和眼圖，滿足了串行總線開發(fā)人員的需求。由于超低內(nèi)部抖動，這些工具可以在對測量影響最小的情況下，測量信號抖動。此外，由于新的內(nèi)置濾波工具，示波器可以從結(jié)果中消除測量路徑的影響，這正成為串行總線標(biāo)準(zhǔn)中更加常見的要求。這些DSP濾波器已經(jīng)成為測量高速數(shù)字設(shè)備中不可缺少的設(shè)備，特別是測量當(dāng)前計(jì)算平臺和網(wǎng)絡(luò)平臺中使用的串行元件時。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(shè)計(jì)人員使用“虛擬測試點(diǎn)”，查看設(shè)計(jì)中不能接入的節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)的信號。