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

信號(hào)完整性

串行總線技術(shù)上的信號(hào)完整性測(cè)量已經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員測(cè)量工作的重要組成部分，如PCIExpress2.0、串行ATAIII和HDMI1.3。一致性測(cè)試中遇到的許多問(wèn)題源于波形上的不理想特點(diǎn)，如噪聲、抖動(dòng)和定時(shí)畸變。串行標(biāo)準(zhǔn)縮窄了定時(shí)容限，要求測(cè)量工具中提供更多的帶寬和更高的精度。與此同時(shí)，還要求使測(cè)量本身的影響達(dá)到最小化。

眼圖測(cè)量

示波器的帶寬影響著至關(guān)重要的信號(hào)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(cè)試和驗(yàn)證測(cè)試的基石，它顯示1個(gè)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(gè)完善的視圖中。得到的屏幕在中心大體呈六角形張開(kāi)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(kāi)程度用來(lái)衡量信號(hào)質(zhì)量(“張開(kāi)”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(duì)數(shù)據(jù)作出響應(yīng)。通常會(huì)使用圖形“模板”定義眼圖測(cè)試通過(guò)/失敗的區(qū)域。

在采集信號(hào)時(shí)，帶寬不足的示波器滾降的幅度可能會(huì)高達(dá)1dB(垂直幅度)。遺憾的是，這種損耗一般會(huì)落在眼圖張開(kāi)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(cè)量及邊沿測(cè)量中至關(guān)重要。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多儀器，可以提供最關(guān)鍵的定時(shí)和邊沿測(cè)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(shí)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(gè)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(gè)諧波測(cè)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(hào)保真度測(cè)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(shí)到這種需求，他們指定速度足夠快的儀器，以捕獲時(shí)鐘信號(hào)的第五個(gè)諧波。
捕獲第五個(gè)諧波為檢定和分析快速上升時(shí)間信號(hào)提供了所需的精度，同時(shí)為保證準(zhǔn)確的結(jié)果提供了更多的余量。



圖1說(shuō)明了怎樣增強(qiáng)幅度余量。特別是，它說(shuō)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(hào)上提供的余量要高得多。在20GHz時(shí)，它捕獲第五個(gè)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(méi)有足夠的帶寬捕獲第五個(gè)信號(hào)，信號(hào)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(gè)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(shí)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(shí)通過(guò)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(cè)試解決方案，同時(shí)在4條或4條以上的通路中捕獲實(shí)時(shí)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(hào)通路中同時(shí)捕獲數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)時(shí)間相關(guān)。市場(chǎng)上現(xiàn)在提供了實(shí)時(shí)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(shí)間分辨率，同時(shí)在全部4條通道上捕獲長(zhǎng)達(dá)4ms的時(shí)間相關(guān)的串行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這種實(shí)時(shí)捕獲能力與深存儲(chǔ)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(wèn)題的事件或之前或之后與總線業(yè)務(wù)相關(guān)的錯(cuò)誤。


抖動(dòng)測(cè)試

抖動(dòng)是串行總線開(kāi)發(fā)人員關(guān)注的另一個(gè)問(wèn)題。在某些情況下，必須量化其對(duì)各個(gè)信號(hào)邊沿的影響，但更重要的是，抖動(dòng)在眼圖測(cè)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(huì)導(dǎo)致模板違規(guī)。
如果觀察到抖動(dòng)，那么抖動(dòng)是來(lái)自被測(cè)設(shè)備還是由于儀器導(dǎo)致的測(cè)量附屬產(chǎn)物示波器的觸發(fā)抖動(dòng)和抖動(dòng)噪底(JNF)可能會(huì)影響測(cè)得的抖動(dòng)，它們可能會(huì)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(kāi)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(dòng)達(dá)到最小，這種方法可望改善等效時(shí)間采集模式下的性能，其中必須對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)重新觸發(fā)采集。但是，觸發(fā)抖動(dòng)對(duì)基于單次實(shí)時(shí)采集的抖動(dòng)測(cè)量沒(méi)有影響。在這種情況下，JNF系數(shù)會(huì)影響等效時(shí)間捕獲和實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)測(cè)量，儀器本身對(duì)抖動(dòng)的影響不大(圖3)。



測(cè)量低頻抖動(dòng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。它對(duì)示波器提出了兩個(gè)相互矛盾的需求：示波器要捕獲細(xì)微的定時(shí)細(xì)節(jié)，同時(shí)要在很長(zhǎng)的時(shí)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(dòng)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(chǔ)器中。但是，低頻抖動(dòng)趨勢(shì)會(huì)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(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，那么需要非常深的存儲(chǔ)器。

對(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)最長(zhǎng)4ms的采樣數(shù)據(jù)。工程師可以查看各個(gè)邊沿上及幾百萬(wàn)個(gè)周期后發(fā)生的同一波形記錄抖動(dòng)變化中的深入抖動(dòng)細(xì)節(jié)。



去掉測(cè)量影響

串行總線環(huán)境中的新興標(biāo)準(zhǔn)要求從測(cè)量結(jié)果中去掉測(cè)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(hào)濾波工藝可以追溯到模擬電子器件的早期時(shí)代，當(dāng)時(shí)濾波器是由離散的電阻器、電容器和電感器組成的一個(gè)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(lái)的模擬濾波器相同。但是，它以數(shù)字方式處理信號(hào)，從簡(jiǎn)單的乘法到減法公式，執(zhí)行各種函數(shù)運(yùn)算。

這一過(guò)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(cè)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(gè)不受測(cè)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(guò)作為信號(hào)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(jí)高速串行測(cè)量技術(shù)，包能夠分析不能獲得的信號(hào)的“虛擬測(cè)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(huì)以相同的延遲數(shù)量通過(guò)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(shí)間周期，因此可以預(yù)測(cè)和控制其影響。

濾波可以用于許多示波器測(cè)量應(yīng)用，可以使用濾波解決日益常見(jiàn)的多個(gè)高速測(cè)量問(wèn)題。例如，通過(guò)濾波，工程師可以限制帶寬，降低噪聲，同時(shí)保持高定時(shí)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(cè)試儀器使用任意FIR濾波器，通過(guò)加載在Matlab或類似程序中開(kāi)發(fā)的用戶指定系數(shù)，可以簡(jiǎn)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(cè)量提供了強(qiáng)大的工具。例如，監(jiān)測(cè)信號(hào)已經(jīng)成為測(cè)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，特別是在測(cè)量接收單元時(shí)。有一些信號(hào)是通過(guò)任何探頭或測(cè)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(cè)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(duì)查看信號(hào)來(lái)說(shuō)是幾乎沒(méi)有任何意義的接入點(diǎn)，因?yàn)楦信d趣的信號(hào)由設(shè)備內(nèi)部的濾波器處理，以偏置通過(guò)電纜、PCB軌跡和連接器傳送時(shí)發(fā)生的劣化。進(jìn)入接收機(jī)有源部分的信號(hào)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(hào)的，但是，必須評(píng)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(cè)設(shè)備濾波器時(shí)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(cè)輸入針腳，同時(shí)查看信號(hào)，就象在內(nèi)部探測(cè)設(shè)備一樣。這種“虛擬測(cè)試點(diǎn)”揭示了接收機(jī)濾波后的信號(hào)，即使物理測(cè)試點(diǎn)是設(shè)備封裝上的一個(gè)針腳。這個(gè)過(guò)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(hào)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(jí)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(duì)DFE信號(hào)進(jìn)行后期處理。

還可以使用DSP濾波，使連接到被測(cè)設(shè)備的夾具和電纜的影響達(dá)到最小。通過(guò)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(kāi)發(fā)“調(diào)出”外部單元導(dǎo)致的相移和信號(hào)劣化的濾波器。

使用DSP增強(qiáng)采集性能

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以在整個(gè)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(gè)頻率范圍內(nèi)會(huì)保持不變，沒(méi)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(guò)使用DSP，可以使不規(guī)則狀態(tài)平滑化，在整個(gè)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(cè)量精度。例如，在12GHz示波器中，可以捕獲頻率為10GHz的信號(hào)，其精度基本上與100MHz頻率的信號(hào)相同。在整個(gè)范圍內(nèi)，信號(hào)保真度會(huì)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(huì)導(dǎo)致更多的高頻噪聲成分進(jìn)入測(cè)量頻段。滾降太急可能會(huì)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(hào)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(cè)量或通道到通道測(cè)量時(shí)，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(tái)儀器之間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的通道匹配。

還可以在探測(cè)信號(hào)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(hào)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(cè)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(kāi)發(fā)人員的需求。由于超低內(nèi)部抖動(dòng)，這些工具可以在對(duì)測(cè)量影響最小的情況下，測(cè)量信號(hào)抖動(dòng)。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(cè)量路徑的影響，這正成為串行總線標(biāo)準(zhǔn)中更加常見(jiàn)的要求。這些DSP濾波器已經(jīng)成為測(cè)量高速數(shù)字設(shè)備中不可缺少的設(shè)備，特別是測(cè)量當(dāng)前計(jì)算平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中使用的串行元件時(shí)。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(cè)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(hào)。