串行數(shù)據(jù)約束條件確定示波器存儲深度的探討

 

多數(shù)高帶寬、實時示波器配有軟件，以便為串行數(shù)據(jù)分析恢復嵌入式時鐘。不過，你究竟需要多大的內存呢？

　　你進行串行數(shù)據(jù)分析時所需的實時示波器內存大小取決于你想完成的作業(yè)。檢查幾項常見的驗證與故障排除任務有助于確定你需要多大內存。
　　典型的時鐘恢復軟件包都含有一個選項，以便軟件仿真一個具有可變頻率響應的鎖相環(huán)（ PLL）。當你選擇該選項時，算法就要求若干個周期跟蹤時鐘。該鎖定范圍中的數(shù)據(jù)無法用于測量，你在規(guī)劃存儲要求時，必須考慮到這一點。所需的內存大小取決于幾個因素－－主要是時鐘頻率和環(huán)路帶寬。
　　你可以從三項常見作業(yè)的角度評估內存問題，這三項作業(yè)是：檢查低頻抖動事件（即偶然發(fā)生的抖動或噪聲事件）、檢查 PRBS（偽隨機二進制序列）中的所有比特序列組合，以及實現(xiàn)滿足某個給定誤碼率所要求的置信度。
　　低頻或偶然抖動
　　如果你想測量來自低頻調制的串行數(shù)據(jù)信號的抖動，那么你就已經(jīng)確定了對存儲深度的需求。例如，假如你用一個具有 20G 采樣/秒(S/s)的采樣率和 1M采 樣內存的示波器捕獲一個 2.5Gbps 信號，那么你就能捕捉到50 微秒實耗時間，從而你能看到一個頻率為 20kHz的抖動周期。
　　測量低頻抖動通常并不是串行數(shù)據(jù)分析的一項要求，因為大多數(shù)串行數(shù)據(jù)接收器中的時鐘恢復 PLL 都能有效地抑制在適度低頻率的抖動。不過，一個以低重復率發(fā)生的事件有時會導致突發(fā)抖動或噪聲，而這類抖動或噪聲包含較高的頻率，PLL 無法加以抑制。因此，你需要對此類事件做規(guī)劃。圖 1 示出了這類信號串擾的一個實例。黃色跡線是串行數(shù)據(jù)信號。綠色跡線是來自系統(tǒng)其它地方的不相關侵擾信號，它導致數(shù)據(jù)信號的短期突發(fā)抖動。紫色跡線是抖動趨勢信號，來源于串行數(shù)據(jù)信號。與“理想的”已恢復時鐘相比，該抖動趨勢只是數(shù)據(jù)流中每一個邊緣的定時的一條時間曲線。你可以看到突發(fā)定時錯誤是與綠色侵擾信號的每次躍變一致的。

圖1，某一個信號（綠色）的耦合會導致另一個信號（黃色）的抖動。紫色跡線是由串行數(shù)據(jù)信號導出的抖動趨勢信號。


　　如果信號的數(shù)據(jù)速率合適，你就能夠利用一個較低的采樣率來延長在每個觸發(fā)脈沖上被捕獲的時間。例如，在數(shù)據(jù)速率為1Gbps時，你能夠充分地捕獲采樣率為10Gbps的信號的所有頻率成分。在這種情況下，存儲量為1M采 樣的可以捕獲 100 微秒寬的數(shù)據(jù)，從而你就能看到頻率為 10 kHz的一個完整抖動周期。




　　表 1 列出了采樣率為 20G S/s的示波器能夠捕獲的最低抖動頻率，即突發(fā)脈沖發(fā)生率，是存儲深度的函數(shù)。要注意的是，即使是目前市場上存儲深度最深的示波器，在以 20G S/s的采樣率采樣時，也捕獲不到低達 60Hz 甚或 120Hz 的抖動頻率。如果你懷疑電源中有什么部件正在電源線交叉處發(fā)出突發(fā)抖動或噪聲，則一種有用的故障排除技術就是在電源線上進行觸發(fā)，然后查看在抖動趨勢波形上是否有穩(wěn)定的突發(fā)脈沖。
　　多數(shù)開關式電源的工作頻率高于 20kHz，因此采樣率為 20G S/s的示波器中的 1M 采樣內存通常足以捕獲到與開關式電源相關的問題。
　　檢查 PRBS 中的所有組合
　　在測試系統(tǒng)中使用 PRBS 作為激勵信號有一個優(yōu)點，就是它包含了所有可能的 由很多1 和 0 組成的序列，僅受限于 PRBS 的長度。一個 2N-1 PRBS 序列包含一個由 N-1 個 0及其后面 N 個1組成的序列以及由　　你應該使用的 PRBS 模式的長度取決于你正在設計的串行總線。你選擇的PRBS中由連續(xù)的0或1組成的最長連序列應該與你正在設計的串行總線中由連續(xù)的 0 或 1 組成的最長連序列匹配。例如，如果你的總線使用 8b/10b 編碼，那你只需要使用一個 25-1 PRBS 來測試。
　　為了查看所有組合的影響，你應該捕獲整個 PRBS。如果你分析的一次采集比整個 PRBS 短，那你就會捕獲不到某些組合。只要重復運行，你仍然會有很好的機會在不確定的時間之后看到序列的所有部分，這是因為示波器將很可能在 PRBS 內的各個點隨機反復觸發(fā)。不過，在每個觸發(fā)脈沖或一個觸發(fā)脈沖上捕獲整個 PRBS，都會使你 100% 放心。




　　表 2 列出了比特率為2.5Gbps和示波器采樣率為20G S/s時捕獲整個 PRBS 序列所需的存儲量。對于其它組合，計算所需內存的數(shù)學運算都是很簡單的。要注意的是，即使是目前市場上內存最深的示波器，也無法在一次采集中捕獲一個完整的 232-1 PRBS 序列。27-1 序列和 211-1 序列是常見的模式，這兩種模式都很容易存入 256k采 樣內存。216-1 序列可存入 1M采 樣內存，還有剩余空間。如果是 表 2 未列出的序列，或者是其它采樣率和數(shù)據(jù)速率，那你可以利用捕獲的周期數(shù)量=[（存儲深度）＊（數(shù)據(jù)速率）]/（示波器采樣率），再按要求的誤碼率推算，就可很方便地計算出所需的內存。
　　在你能確信自己的系統(tǒng)將滿足給定誤碼率之前，你需要多長時間來讓示波器掩碼或抖動測試運行呢？從統(tǒng)計角度而言，你可以把這個問題描述如下：在誤碼率比如 說為10-12時，你可能在你檢查的最初幾個比特中看到大量錯誤；另一方面，你也可能在 1016 或任意大數(shù)量的連續(xù)比特中看不到錯誤。
　　你可能要等待很長時間來確定已測的誤碼率，但這可能沒有花費很長時間，尤其是當你從來沒看到任何差錯時。假定你沒有發(fā)現(xiàn)任何差錯違背情況，那你就可以計算置信區(qū)間，以便根據(jù)較少的數(shù)據(jù)預計給定誤碼率。例如，對于給定的 BER（誤碼率），表 3 說明你必須觀察多少無錯誤比特才能達到表中的置信度。