信號(hào)完整性分析基礎(chǔ)系列之二十二—— 自定義二階PLL

本文介紹了自定義二階PLL，說(shuō)明了它如何正確應(yīng)用于串行數(shù)據(jù)測(cè)量中以提高眼圖和抖動(dòng)測(cè)量精度。

抖動(dòng)定義的是邊沿的時(shí)序不確定性。為了確定串行數(shù)據(jù)信號(hào)邊沿的時(shí)序不確定性，邊沿需要和一個(gè)參考的時(shí)鐘邊沿進(jìn)行比較。
對(duì)于大多數(shù)高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，參考時(shí)鐘是內(nèi)嵌在串行數(shù)據(jù)信號(hào)里的，在測(cè)試時(shí)需要從被測(cè)信號(hào)中恢復(fù)該時(shí)鐘?；謴?fù)時(shí)鐘的方法將直接影響到測(cè)量眼圖的形狀和抖動(dòng)值大小。

當(dāng)前一些串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不僅定義了測(cè)量抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方法，而且也定義了時(shí)鐘恢復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)方法。

低頻信號(hào)邊沿的變化可以通過(guò)PLL來(lái)進(jìn)行跟蹤，最終并沒(méi)有反應(yīng)在測(cè)量出的抖動(dòng)上，因?yàn)樗鼈儽籔LL有效地去除掉了。反之，那些沒(méi)有被PLL去除的低頻信號(hào)邊沿變化就會(huì)被測(cè)量為抖動(dòng)。因此，時(shí)鐘恢復(fù)方法的選擇影響的既是PLL的跟蹤能力，也影響到最終測(cè)量到的抖動(dòng)值。

抖動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中靈活的時(shí)鐘恢復(fù)不僅幫助支持規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)定義的測(cè)量需要，而且可以作為一種強(qiáng)大的分析工具，使得您可以預(yù)測(cè)出真正的接收機(jī)的性能。

PLL如何適應(yīng)信號(hào)變化

為了補(bǔ)償串行數(shù)據(jù)流中緩慢的時(shí)序的變化，軟件時(shí)鐘恢復(fù)方法可以產(chǎn)生參考邊沿位置，并且它會(huì)根據(jù)低頻的波形漂移相應(yīng)地進(jìn)行緩慢地調(diào)整，同時(shí)可測(cè)量出高速抖動(dòng)。如圖1所示，利用定義好的截止頻率，根據(jù)參考邊沿時(shí)序變化速率的增大或減小來(lái)跟蹤信號(hào)速率的緩慢變化。軟件PLL帶寬以下的邊沿時(shí)序頻率成分被追蹤，而高頻抖動(dòng)部分通過(guò)了軟件濾波器，用以測(cè)量出高頻抖動(dòng)值。

圖1 參考始終邊沿的緩慢變化來(lái)跟蹤信號(hào)的緩慢變化

下面圖2表示的是一個(gè)單極點(diǎn)PLL，它可以跟蹤低頻調(diào)制，而高頻的調(diào)制并沒(méi)有被跟蹤，被作為抖動(dòng)測(cè)量出來(lái)。單極點(diǎn)的低通濾波器的滾降曲線(xiàn)是逐漸變化的過(guò)程，使得在交叉區(qū)域有一個(gè)比較大的頻率范圍，這部分的頻率既是被跟蹤也被測(cè)量為抖動(dòng)。

圖2 單極點(diǎn)的PLL和JTF

二階PLL的應(yīng)用

相應(yīng)地，單極點(diǎn)PLL的緩慢的滾降速率帶來(lái)了抖動(dòng)傳遞函數(shù)（jitter Transfer Function,JTF）的限制。為了確保高頻抖動(dòng)在低頻端被截止,同時(shí)最大程度地通過(guò)抖動(dòng)傳遞函數(shù)JTF，則需要更高階的PLL。

在一些高速串行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，如PCI Express,Serial SATA和SAS中，需要通過(guò)擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）技術(shù)來(lái)減少EMI發(fā)射干擾。SSC調(diào)制的頻率是在低頻范圍內(nèi)，大約30-33KHz。圖3表示的是在有SSC時(shí)，沒(méi)有采用二階PLL測(cè)量的眼圖。該眼圖波形被SSC調(diào)制后，基本的抖動(dòng)和眼圖測(cè)量都不正確。采用一個(gè)2階PLL，如圖4所示，用戶(hù)可以輸入自然頻率和阻尼系數(shù)來(lái)減少交叉區(qū)域的大小，最大程度地阻止頻帶內(nèi)的衰減。

圖3 有SSC時(shí)，用一階PLL測(cè)量到的眼圖

圖4 自定義二階PLL的設(shè)置界面

圖5 有SSS有，采用二階PLL測(cè)量的眼圖

圖5表示相同的信號(hào)，但是采用了二階PLL，將自然頻率設(shè)置為1MHz，阻尼系數(shù)設(shè)置為0.707時(shí)的眼圖。二階PLL使得低頻截止得很快，同時(shí)有更好的傳遞函數(shù)，有能力跟蹤PLL帶寬范圍內(nèi)的線(xiàn)性相位和頻率變化。

結(jié)論

參考時(shí)鐘恢復(fù)函數(shù)是抖動(dòng)測(cè)量的基本部分，該函數(shù)的特性影響到追蹤的能力和測(cè)量到的抖動(dòng)值大小。PLL的跟蹤能力對(duì)于有SSC時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量眼圖和抖動(dòng)是很重要的，而且抖動(dòng)傳遞函數(shù)的高通截止頻率控制了測(cè)量的抖動(dòng)值。從這個(gè)方面來(lái)說(shuō)，抖動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以用于仿真串行數(shù)據(jù)接收機(jī)的工作，因此，真正的接收機(jī)的性能可以準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。