重建長距離傳輸退化信號(hào)的完整性

理想情況下，當(dāng)在航空公司柜臺(tái)托運(yùn)包裹時(shí)，我們從行李提取處拿到的包裹應(yīng)該和托運(yùn)時(shí)毫無二致。但不幸的是，事實(shí)上很少有這種情況。與之類似，理想情況下，當(dāng)向電纜、PCB走線或連接器發(fā)出信號(hào)時(shí)，重新獲得的接收信號(hào)應(yīng)該和發(fā)送時(shí)完全一樣，但事實(shí)上也很少有這種情況。值得欣慰的是，對(duì)電子信號(hào)來講，我們有能力將信號(hào)恢復(fù)成與原始信號(hào)一樣，甚至某些情況下更好。比如托運(yùn)一包臟衣服，當(dāng)我們領(lǐng)取時(shí)它變成了干凈且經(jīng)過熨燙的衣服。對(duì)電子信號(hào)來講，我們事先已經(jīng)知道該信號(hào)將是什么形狀，然后可以利用這一點(diǎn)――對(duì)于大多數(shù)數(shù)字信號(hào)，我們知道幅度、上升/下降時(shí)間和時(shí)鐘頻率。因此，為了獲得較好的接收信號(hào)，所要做的就是把這種模板施加到信號(hào)上，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行清理。我們將在本文中探索信號(hào)在電纜或PCB走線中退化的方式，以及如何對(duì)這些退化信號(hào)進(jìn)行重建。

在整篇文章中，我將把用于單電纜傳輸高清晰、未壓縮視頻數(shù)據(jù)的信號(hào)作為例子。規(guī)定該信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)是SMPTE （電影與電視工程師學(xué)會(huì)）292M――簡單來講它描述了一個(gè)具有800mV p-p電平并通過75W同軸電纜以大約1.5Gbps速率傳輸?shù)男盘?hào)。盡管大多數(shù)圖像和實(shí)例都基于這

對(duì)互連信號(hào)的影響

當(dāng)AC電流流過導(dǎo)體時(shí)，它傾向于在導(dǎo)體的表面（表層）流動(dòng)。這就是我們所熟知的趨膚效應(yīng)。更精確來講，趨膚深度δ為

其中δ是趨膚深度，表示當(dāng)場強(qiáng)衰減了一個(gè) e 因子時(shí)的導(dǎo)體深度，σ是該導(dǎo)體的傳導(dǎo)率，ω是AC場的變化頻率，μ0是自由空間的磁導(dǎo)率。趨膚效應(yīng)意味著信號(hào)的頻率越高，電纜的有效截面越小。

所帶來的影響是，當(dāng)信號(hào)通過電纜或者PCB走線時(shí)，將被濾波成一個(gè)低通響應(yīng)。該響應(yīng)的形狀都是一樣的：衰減與√f成正比。隨著電纜（或PCB走線）的長度增加或減少，衰減的幅度也會(huì)發(fā)生變化，但是基本形狀保持不變。廠商（比如國家半導(dǎo)體）提供的有源均衡器可以自動(dòng)調(diào)整均衡器的增益，從而使均衡器的輸出與原始信號(hào)一致。通用視頻電纜的插入損耗如圖1所示――實(shí)際的損耗與電纜長度成正比，因此，對(duì)于200米的電纜來講，可以把該曲線提供的損耗加倍。

圖 1 100米同軸電纜的插入損耗

在傳輸介質(zhì)已知且固定的系統(tǒng)中――例如底板環(huán)境，可以使用固定均衡器和/或預(yù)加重的結(jié)合方案。DS15BR400是一種采用該方案的產(chǎn)品，它提供了預(yù)加重和均衡器，兩者都具有固定的數(shù)量（由用戶設(shè)定），從而與相應(yīng)的傳輸環(huán)境進(jìn)行匹配。

采用預(yù)加重來擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)器的到達(dá)范圍

當(dāng)采用預(yù)加重時(shí)，傳輸緩沖器發(fā)送給傳輸線的信號(hào)首先進(jìn)行預(yù)失真，從而加速高頻元件，因此當(dāng)信號(hào)被底板衰減時(shí)，最終得到的結(jié)果好像沒有經(jīng)過底板的任何衰減。還是以托運(yùn)行李為例，這類似于在托運(yùn)之前對(duì)手提箱進(jìn)行泡沫包裝－－大家知道航空公司會(huì)把這些泡沫包裝切碎，當(dāng)領(lǐng)取行李不會(huì)看到這些包裝，但是通過這樣做，托運(yùn)過程中手提箱受損的可能性大大降低。

圖2 預(yù)加重對(duì)底板連接的作用。

均衡使信號(hào)傳輸?shù)酶h(yuǎn)

預(yù)加重有其局限。工藝的進(jìn)步導(dǎo)致采用更小的電源電壓，預(yù)加重的數(shù)量受到電源電壓與信號(hào)擺幅比值的限制。還有另一種把信號(hào)從源傳輸?shù)浇邮斩说姆绞剑蠢镁馄髟诮邮斩藢?duì)信號(hào)進(jìn)行重建。均衡器采用一個(gè)高通濾波器（與底板傳輸函數(shù)相反），這種方式可以恢復(fù)具有很小眼圖張開度的信號(hào)，甚至在衰減大于VDD/Vsignal 比值的情況下也可以使用。實(shí)現(xiàn)這種功能的一個(gè)例子是DS20BR100，圖3中就是以該器件為范例。

圖3 配備和未配備均衡器的底板接收器

對(duì)于很多系統(tǒng)來講，信號(hào)傳輸介質(zhì)并非底板，而是電纜，而且電纜的長度是未知的。這種情況下，預(yù)加重將無法工作，此時(shí)重建信號(hào)的唯一方法就是利用那些能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整增益的均衡器。這可以通過自適應(yīng)電纜均衡器（例如國家半導(dǎo)體的LMH0044）完成。該部件具有編程√f 頻率響應(yīng)輸入，可以通過反饋環(huán)對(duì)調(diào)整的增益進(jìn)行控制，從而使其能夠自動(dòng)調(diào)整增益，因此在1.5Gbps輸入信號(hào)的條件下，該均衡器可以對(duì)0到200米范圍內(nèi)的任何電纜長度進(jìn)行均衡。電纜傳輸之前、電纜傳輸之后以及均衡后得到的信號(hào)分別如圖4、圖5和圖6所示。 

圖4 電纜驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的1.5Gbps的信號(hào) 

圖5 經(jīng)過200米同軸電纜傳輸后得到的1.5Gbps的信號(hào)(Belden 1694A) 

圖6 經(jīng)過200米電纜傳輸，然后通過LMH0044自適應(yīng)電纜均衡器進(jìn)行自動(dòng)均衡得到的1.5Gbps的信號(hào)

如果將圖4中的波形與圖5中的波形進(jìn)行比較，你將發(fā)現(xiàn)盡管圖4中的眼圖張開度已經(jīng)很大，但圖5中的信號(hào)還是具有更多抖動(dòng)。如果這樣的信號(hào)再經(jīng)過電纜傳輸，然后再被均衡，抖動(dòng)將會(huì)加劇，最終信號(hào)的完整性將會(huì)丟失。

重計(jì)時(shí)使我們回歸開始階段

在重計(jì)時(shí)技術(shù)中，我們依賴這樣一個(gè)事實(shí)，即接收器“知道”初始信號(hào)的數(shù)據(jù)率，然后生成一個(gè)穩(wěn)定的具有相同頻率的本地時(shí)鐘，利用這個(gè)時(shí)鐘對(duì)均衡器輸出的信號(hào)進(jìn)行重計(jì)時(shí)――因此降低了抖動(dòng)積聚。

關(guān)鍵在于使本地時(shí)鐘和發(fā)送時(shí)鐘同步，因?yàn)樵诎l(fā)送超過1 Gbps的數(shù)據(jù)時(shí)，頻率的偏差（即使1ppm的偏差）也將迅速導(dǎo)致災(zāi)難。這里的同步將通過鎖相環(huán)（PLL）實(shí)現(xiàn)。

圖7 重新計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)首先進(jìn)入重新計(jì)時(shí)器，然后把數(shù)據(jù)跳變的相位與振蕩器時(shí)鐘的相位進(jìn)行比較。大多數(shù)PLL都具有一個(gè)恒定的時(shí)鐘作為輸入?yún)⒖夹盘?hào)――相位比較器僅比較輸入信號(hào)和VCO輸出信號(hào)的相對(duì)相位。在重新計(jì)時(shí)器中，輸入信號(hào)是數(shù)據(jù)，它并沒有在每個(gè)時(shí)鐘跳變沿進(jìn)行跳變，而且輸入數(shù)據(jù)的極性也不相關(guān)（僅有跳變的位置對(duì)VCO時(shí)鐘上升沿的位置）。因此，重新計(jì)時(shí)器的相位比較器需要根據(jù)重計(jì)時(shí)函數(shù)專門進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果輸入數(shù)據(jù)沿先于時(shí)鐘上升沿到來，相位比較器將產(chǎn)生一個(gè)正脈沖。如果輸入數(shù)據(jù)沿晚于時(shí)鐘上升沿到來，相位比較器將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖――如果輸入數(shù)據(jù)具有噪聲，而且噪聲的帶寬大于積分器的

重新計(jì)時(shí)器的核心部件是一個(gè)壓控振蕩器(VCO)，該電路生成一個(gè)規(guī)則的時(shí)鐘，頻率可以通過控制電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了獲得高質(zhì)量的重計(jì)時(shí)輸出，VCO必須具有很低的抖動(dòng)，并且易于控制――很多分立的重新計(jì)時(shí)器通過壓控晶振 (VCXO)來實(shí)現(xiàn)上述功能，但是這些元件價(jià)格昂貴，而且難于操作。在單片IC上設(shè)計(jì)出一個(gè)高質(zhì)量VCO（作為集成元件）是可能的，但是比較困難。

一旦從輸入信號(hào)中再生出一個(gè)高質(zhì)量而且規(guī)則的穩(wěn)定時(shí)鐘，最后一步就是利用該時(shí)鐘對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重計(jì)時(shí)――用再生時(shí)鐘對(duì)跳變進(jìn)行定位，從而產(chǎn)生一個(gè)低抖動(dòng)信號(hào)。

重新計(jì)時(shí)器有兩個(gè)主要指標(biāo)，一個(gè)是它的抖動(dòng)容限（允許輸入信號(hào)有多大的抖動(dòng)），另一個(gè)是剩余抖動(dòng)的大小――即到達(dá)輸出端抖動(dòng)的大小。

在設(shè)計(jì)重新計(jì)時(shí)器的過程中，設(shè)計(jì)師需要在設(shè)計(jì)指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡――通過降低積分器的時(shí)間常數(shù)，并且使VCO具備更大的調(diào)諧范圍，可以維持大抖動(dòng)信號(hào)的鎖定狀態(tài)，然而代價(jià)是輸出數(shù)據(jù)中將會(huì)含有較多抖動(dòng)。 

圖8 LMH0046 重新計(jì)時(shí)器的輸入和輸出

小結(jié)

盡管航空旅行時(shí)行李難免會(huì)受到一定的損害，但是還是有可能把信號(hào)發(fā)送到一定距離，經(jīng)過電纜或者底板接口，然后把它恢復(fù)成高質(zhì)量的信號(hào)――甚至比以前的信號(hào)更好！答案就是利用均衡器消除傳輸介質(zhì)的低通濾波效應(yīng)，然后使用重新計(jì)時(shí)器重建信號(hào)的時(shí)序完整性。雖然均衡和重計(jì)時(shí)所支持的電纜長度有限，但是只要信號(hào)能夠被正確地接收，鏈路的數(shù)量將不受限制。

工具條：關(guān)于抖動(dòng)的10個(gè)最常見問題

什么是抖動(dòng)？

抖動(dòng)是時(shí)域上信號(hào)跳變與其理想位置的偏移。如果對(duì)示波器上的眼圖進(jìn)行觀察，抖動(dòng)使眼圖垂直部分變得粗而模糊。

如何向信號(hào)中添加抖動(dòng)以便對(duì)接收器進(jìn)行測試？

最常用的方法是使用具有外部時(shí)鐘源的圖形發(fā)生器，而且該時(shí)鐘源能夠進(jìn)行相位或者頻率調(diào)制。調(diào)制源既可以是正弦波，此時(shí)可以在一定范圍內(nèi)掃描抖動(dòng)頻率；也可以是白噪聲，以接近隨機(jī)抖動(dòng)；或者是方波以模仿確定抖動(dòng)。

什么是抖動(dòng)容限？

抖動(dòng)容限是指在系統(tǒng)可以承受并且能夠無差錯(cuò)地重建輸入信號(hào)的情況下，所允許的輸入抖動(dòng)量。有時(shí)它被指定為頻率的函數(shù)，通常這些指標(biāo)或者要求被劃分成不同的頻率區(qū)域――例如，系統(tǒng)可能要求在抖動(dòng)頻率為10KHz的情況下，允許2UI的抖動(dòng)量，但是當(dāng)抖動(dòng)頻率超過1MHz時(shí)，系統(tǒng)可能只允許0.5UI的抖動(dòng)量。

什么是抖動(dòng)傳輸函數(shù)，以及為什么要對(duì)它進(jìn)行考慮？

抖動(dòng)傳輸函數(shù)是指輸入抖動(dòng)對(duì)輸出抖動(dòng)的比值，通常表示成頻率的函數(shù)。顯然我們希望重新計(jì)時(shí)器的輸出抖動(dòng)小于輸入抖動(dòng)。如果存在一個(gè)頻率范圍使該比值小于1（意味著輸出抖動(dòng)比輸入抖動(dòng)大），那么使用該設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)鏈路將會(huì)很快崩潰。

什么是剩余抖動(dòng)？

剩余抖動(dòng)是指電路輸出端所具有的抖動(dòng)量（不管是重新計(jì)時(shí)器還是串行器，抑或其它功能模塊）。通常它被劃分成確定抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)。

什么是固有抖動(dòng)？

固有抖動(dòng)是指當(dāng)輸入沒有抖動(dòng)時(shí)設(shè)備輸出端所出現(xiàn)的抖動(dòng)。這是我們對(duì)特定設(shè)備所能期望的最好情況。

什么是隨機(jī)抖動(dòng)？

如果觀察抖動(dòng)譜，很多時(shí)候它像白噪聲――完全隨機(jī)。如果把信號(hào)發(fā)送給一條長電纜，在到達(dá)均衡器之前信號(hào)的沿速率很慢。此時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲將被均衡濾波器放大，然后轉(zhuǎn)化成隨機(jī)抖動(dòng)。

什么是確定抖動(dòng)？

還有一些不同的方式可以讓那些并非隨機(jī)的抖動(dòng)進(jìn)入信號(hào)。如果與信號(hào)的上升/下降時(shí)間相比，位單元較短，那么信號(hào)的高度將會(huì)發(fā)生變化，這決定于最后的位單元中是否有跳變。這可以參見“XXX”。這時(shí)正在發(fā)送的位圖形將使眼圖開度的高度和寬度同時(shí)發(fā)生退化。

圖9 不同的波形如何進(jìn)行組合以產(chǎn)生確定抖動(dòng)

確定抖動(dòng)還可以通過串行器產(chǎn)生，該串行器生成一個(gè)內(nèi)部發(fā)送時(shí)鐘（并不均勻），對(duì)于一個(gè)10:1的串行器來講，第5個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)比其它時(shí)鐘周期稍微長一點(diǎn)，這將產(chǎn)生一個(gè)特定節(jié)奏，看起來類似于串行器輸出端的抖動(dòng)。

什么是定位抖動(dòng)和定時(shí)抖動(dòng)？

除了指定隨機(jī)抖動(dòng)和確定抖動(dòng)之外，視頻產(chǎn)業(yè)還通過電影與電視工程師學(xué)會(huì)(SMPTE) 規(guī)定了定位抖動(dòng)和定時(shí)抖動(dòng)。定位抖動(dòng)是指相對(duì)于再生時(shí)鐘，數(shù)據(jù)跳變的偏差，而定時(shí)抖動(dòng)是指相對(duì)于穩(wěn)定時(shí)鐘，再生時(shí)鐘沿的跳變偏差。請(qǐng)注意通過這種定義方式，定位抖動(dòng)和定時(shí)抖動(dòng)都依賴于用于時(shí)鐘再生的PLL的帶寬。如果想了解視頻系統(tǒng)測量抖動(dòng)的更多方式，請(qǐng)閱讀RP192 規(guī)格說明，網(wǎng)址是 www.smpte.org。那些用來測量視頻信號(hào)抖動(dòng)的視頻測試設(shè)備（比如Tektronix WFM-700

如何測量剩余抖動(dòng)？

有若干種方法可以測量抖動(dòng)。最常用方法是利用低抖動(dòng)PLL（通?；赩CXO）從信號(hào)中再生出時(shí)鐘，然后利用該時(shí)鐘觸發(fā)示波器（接收到的信號(hào)已經(jīng)連到了它的輸入端）。示波器會(huì)顯示一個(gè)眼圖，而且給出一個(gè)交點(diǎn)的柱狀圖，從而得到抖動(dòng)的測量結(jié)果。大多數(shù)系統(tǒng)觀察的都是RMS抖動(dòng)，它也經(jīng)常是示波器所提供的測量結(jié)果。

如何測量抖動(dòng)容限？

大多數(shù)系統(tǒng)都會(huì)有一個(gè)針對(duì)最大剩余抖動(dòng)的指標(biāo)，盡管有些情況下只是簡單要求能夠接收到信號(hào)。為了測量抖動(dòng)容限，逐漸增加系統(tǒng)的輸入抖動(dòng)，直到輸出抖動(dòng)超過最大指標(biāo)。很多時(shí)候該過程將在不同抖動(dòng)頻率下進(jìn)行重復(fù)，從而繪制出抖動(dòng)容限相對(duì)于抖動(dòng)頻率的曲線。

為什么只有上述9個(gè)關(guān)于抖動(dòng)的問題？

因?yàn)楹苌偬岢龅?0個(gè)問題。