信號完整性

串行總線技術上的信號完整性測量已經(jīng)成為設計人員測量工作的重要組成部分，如PCI Express 2.0、串行ATA III和HDMI 1.3。一致性測試中遇到的許多問題源于波形上的不理想特點，如噪聲、抖動和定時畸變。串行標準縮窄了定時容限，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到最小化。

眼圖測量

示波器的帶寬影響著至關重要的信號眼圖。眼圖是一種行業(yè)標準示波器圖像，也是一致性測試和驗證測試的基石，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。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1 dB （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，恰好是進行二進制判定的地方。因此，充足的帶寬在眼圖測量及邊沿測量中至關重要。

幸運的是，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了許多儀器，可以提供最關鍵的定時和邊沿測量要求的帶寬。最新的串行分析儀擁有20 GHz的帶寬，再加上所有通道上50 GS/s的采樣率，可以滿足當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22 ps。正如本文后面討論的那樣，基于DSP的帶寬增強技術提供了直到最快速的第一代串行標準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3.125 Gbit/s之間，這些速率似乎完全位于當前4GHz和5 GHz 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)標準機構(gòu)已經(jīng)認識到這種需求，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，同時為保證準確的結(jié)果提供了更多的余量。

圖1說明了怎樣增強幅度余量。特別是，它說明了20 GHz 示波器和13 GHz 示波器之間的差異，表明帶寬更高的儀器在6.25 Gbit/s 數(shù)據(jù)流PCI-E Gen2信號上提供的余量要高得多。在20 GHz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13 GHz 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。

某些標準小組，特別是PCI SIG，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HDMI 1.3、SATA III和PCI-Express 2.0，在單路應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)實現(xiàn)，其采用多條通路，實現(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”進行傳送（圖2）。在多路串行總線上執(zhí)行驗證或調(diào)試工作的設計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。在驗證中，必需在所有信號通路中同時捕獲數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)時間相關。市場上現(xiàn)在提供了實時采樣率高達50 GS/s的儀器，可以在所有輸入通道中實現(xiàn)杰出的時間分辨率，同時在全部4條通道上捕獲長達4 ms的時間相關的串行數(shù)據(jù)業(yè)務。這種實時捕獲能力與深存儲器相結(jié)合，使得設計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)務相關的錯誤。

抖動測試

抖動是串行總線開發(fā)人員關注的另一個問題。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的眼圖寬度，可能會導致模板違規(guī)。

如果觀察到抖動，那么抖動是來自被測設備還是由于儀器導致的測量附屬產(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)生誤導性的模板失敗。

業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出精心設計的軟件校正方案，以使示波器的觸發(fā)抖動達到最小，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重新觸發(fā)采集。但是，觸發(fā)抖動對基于單次實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，以實現(xiàn)高信噪比及極低的JNF （典型值為400 fs RMS）。這種示波器可以實現(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：示波器要捕獲細微的定時細節(jié)，同時要在很長的時間跨度內(nèi)實現(xiàn)這一點。為以足夠的分辨率捕獲抖動細節(jié)，通常必需進入最大采樣率（如50 GS/s，相當于20 ps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200 M樣點的儀器，在全部采樣率下可以存儲最長4 ms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節(jié)。

去掉測量影響

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

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。在當前的DSP領域中，濾波器是一種修改波形形狀、亦即頻率成分的數(shù)學程序，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)運算。

這一過程包括把FIR （有限脈沖響應）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算得出的損耗特點，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，以及能夠更準確地反映最終用戶應用中設備運行特點的眼圖。

通過作為信號路徑不可分割的一部分使用FIR濾波器，可以實現(xiàn)廣泛的任意濾波特點及高級高速串行測量技術，包能夠分析不能獲得的信號的“虛擬測試點”。

與以前的模擬技術相比，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，即所有頻率會以相同的延遲數(shù)量通過濾波器，從而使失真達到最小。此外，F(xiàn)IR濾波器的脈沖響應擁有有限的可以量化的時間周期，因此可以預測和控制其影響。

濾波可以用于許多示波器測量應用，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，控制示波器響應在頻率范圍高端之上“滾降”的方式。

用戶指定的特點

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（圖4）。

這種用戶可以定義的濾波技術為支持高速測量提供了強大的工具。例如，監(jiān)測信號已經(jīng)成為測量串行數(shù)據(jù)設備性能的設計人員關注的一個關鍵問題，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都得不到的。

事實證明，基于這一原因，接收機輸入容限測量極具挑戰(zhàn)性。在正常情況下，串行設備中的接收機輸入對查看信號來說是幾乎沒有任何意義的接入點，因為感興趣的信號由設備內(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。進入接收機有源部分的信號封裝在設備內(nèi)部，因此使用傳統(tǒng)技術是不能獲得這些信號的，但是，必須評估其眼圖和其它特點。

解決方案是使用DSP濾波器，模擬接收機內(nèi)部濾波器的效應。用戶可以把在設計被測設備濾波器時使用的相同的系數(shù)加載到示波器中。在應用濾波后，示波器用戶可以探測輸入針腳，同時查看信號，就象在內(nèi)部探測設備一樣。這種“虛擬測試點”揭示了接收機濾波后的信號，即使物理測試點是設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，實現(xiàn)當前首選的信號濾波技術，包括判定反饋平衡（DFE）。專有的DFE濾波器是當前許多高級串行收發(fā)機中使用的技術。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信號進行后期處理。

還可以使用DSP濾波，使連接到被測設備的夾具和電纜的影響達到最小。通過檢定或建模夾具，把信息轉(zhuǎn)換成相應的濾波系數(shù)，示波器用戶可以開發(fā)“調(diào)出”外部單元導致的相移和信號劣化的濾波器。

使用DSP增強采集性能

數(shù)字信號處理技術可以在整個示波器采集系統(tǒng)中提供許多好處，包括增強頻率和相位響應、通道匹配、探頭系統(tǒng)性能、信噪比行為及其它關鍵特點。

可以使用基于DSP的通道性能增強功能，實現(xiàn)異常平坦的幅度響應和相位線性度。在理想情況下，示波器的幅度響應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。這種方法的好處是可以直到指定帶寬極限，實現(xiàn)杰出的測量精度。例如，在12 GHz 示波器中，可以捕獲頻率為10 GHz的信號，其精度基本上與100 MHz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。這里的目標是控制響應下降的速度，以在保存瞬態(tài)響應及降低帶外噪聲之間實現(xiàn)最佳平衡。滾降太緩會導致更多的高頻噪聲成分進入測量頻段。滾降太急可能會使支持準確平滑瞬態(tài)響應所需的高頻率發(fā)生衰減。DSP可以非常準確地控制滾降的跳變沿，在噪聲抑制和瞬態(tài)響應之間實現(xiàn)最優(yōu)平衡，實現(xiàn)非常高的信號保真度。

還可以使用DSP，提供非常準確的通道匹配，其中把每條通道校準到同樣的理想響應特點。在多路串行技術上執(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響應具有極其重要的意義。也可以使用這些技術，保證多臺儀器之間實現(xiàn)準確的通道匹配。

還可以在探測信號路徑中使用DSP，令示波器考慮相應差分探頭及其高帶寬可拆卸尖端的特點。

這里，DSP段作為標稱平衡濾波器使用，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，實現(xiàn)最平坦的頻率響應。

總結(jié)

隨著每秒幾千兆位的串行總線標準的出現(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、準確地捕獲高速串行波形特點和眼圖，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準中更加常見的要求。這些DSP濾波器已經(jīng)成為測量高速數(shù)字設備中不可缺少的設備，特別是測量當前計算平臺和網(wǎng)絡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，允許設計人員使用“虛擬測試點”，查看設計中不能接入的節(jié)點中出現(xiàn)的信號。

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