重建长距离传输退化信号的完整性
发布时间：2010-7-14 23:24
发布者：conniede
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简介 理想情况下，当在航空公司柜台托运包裹时，我们从行李提取处拿到的包裹应该和托运时毫无二致。但不幸的是，事实上很少有这种情况。与之类似，理想情况下，当向电缆、PCB走线或连接器发出信号时，重新获得的接收信号应该和发送时完全一样，但事实上也很少有这种情况。值得欣慰的是，对电子信号来讲，我们有能力将信号恢复成与原始信号一样，甚至某些情况下更好。比如托运一包脏衣服，当我们领取时它变成了干净且经过熨烫的衣服。对电子信号来讲，我们事先已经知道该信号将是什么形状，然后可以利用这一点――对于大多数数字信号，我们知道幅度、上升/下降时间和时钟频率。因此，为了获得较好的接收信号，所要做的就是把这种模板施加到信号上，并对信号进行清理。我们将在本文中探索信号在电缆或PCB走线中退化的方式，以及如何对这些退化信号进行重建。 在整篇文章中，我将把用于单电缆传输高清晰、未压缩视频数据的信号作为例子。规定该信号的标准是SMPTE （电影与电视工程师学会）292M――简单来讲它描述了一个具有800mV p-p电平并通过75W同轴电缆以大约1.5Gbps速率传输的信号。尽管大多数图像和实例都基于这 个特定应用，但是对于任何利用金属介质传输的高速信号来讲，其基本原理都大同小异。 对互连信号的影响 当AC电流流过导体时，它倾向于在导体的表面（表层）流动。这就是我们所熟知的趋肤效应。更精确来讲，趋肤深度δ为  其中δ是趋肤深度，表示当场强衰减了一个 e 因子时的导体深度，σ是该导体的传导率，ω是AC场的变化频率，μ0是自由空间的磁导率。趋肤效应意味着信号的频率越高，电缆的有效截面越小。 所带来的影响是，当信号通过电缆或者PCB走线时，将被滤波成一个低通响应。该响应的形状都是一样的：衰减与√f成正比。随着电缆（或PCB走线）的长度增加或减少，衰减的幅度也会发生变化，但是基本形状保持不变。厂商（比如国家半导体）提供的有源均衡器可以自动调整均衡器的增益，从而使均衡器的输出与原始信号一致。通用视频电缆的插入损耗如图1所示――实际的损耗与电缆长度成正比，因此，对于200米的电缆来讲，可以把该曲线提供的损耗加倍。  图 1 100米同轴电缆的插入损耗 在传输介质已知且固定的系统中――例如底板环境，可以使用固定均衡器和/或预加重的结合方案。DS15BR400是一种采用该方案的产品，它提供了预加重和均衡器，两者都具有固定的数量（由用户设定），从而与相应的传输环境进行匹配。 采用预加重来扩展驱动器的到达范围 当采用预加重时，传输缓冲器发送给传输线的信号首先进行预失真，从而加速高频元件，因此当信号被底板衰减时，最终得到的结果好像没有经过底板的任何衰减。还是以托运行李为例，这类似于在托运之前对手提箱进行泡沫包装－－大家知道航空公司会把这些泡沫包装切碎，当领取行李不会看到这些包装，但是通过这样做，托运过程中手提箱受损的可能性大大降低。  图2 预加重对底板连接的作用。 均衡使信号传输得更远 预加重有其局限。工艺的进步导致采用更小的电源电压，预加重的数量受到电源电压与信号摆幅比值的限制。还有另一种把信号从源传输到接收端的方式，即利用均衡器在接收端对信号进行重建。均衡器采用一个高通滤波器（与底板传输函数相反），这种方式可以恢复具有很小眼图张开度的信号，甚至在衰减大于VDD/Vsignal 比值的情况下也可以使用。实现这种功能的一个例子是DS20BR100，图3中就是以该器件为范例。  图3 配备和未配备均衡器的底板接收器 对于很多系统来讲，信号传输介质并非底板，而是电缆，而且电缆的长度是未知的。这种情况下，预加重将无法工作，此时重建信号的唯一方法就是利用那些能够动态调整增益的均衡器。这可以通过自适应电缆均衡器（例如国家半导体的LMH0044）完成。该部件具有编程√f 频率响应输入，可以通过反馈环对调整的增益进行控制，从而使其能够自动调整增益，因此在1.5Gbps输入信号的条件下，该均衡器可以对0到200米范围内的任何电缆长度进行均衡。电缆传输之前、电缆传输之后以及均衡后得到的信号分别如图4、图5和图6所示。  图4 电缆驱动器发出的1.5Gbps的信号  图5 经过200米同轴电缆传输后得到的1.5Gbps的信号(Belden 1694A)  图6 经过200米电缆传输，然后通过LMH0044自适应电缆均衡器进行自动均衡得到的1.5Gbps的信号 如果将图4中的波形与图5中的波形进行比较，你将发现尽管图4中的眼图张开度已经很大，但图5中的信号还是具有更多抖动。如果这样的信号再经过电缆传输，然后再被均衡，抖动将会加剧，最终信号的完整性将会丢失。 重计时使我们回归开始阶段 在重计时技术中，我们依赖这样一个事实，即接收器“知道”初始信号的数据率，然后生成一个稳定的具有相同频率的本地时钟，利用这个时钟对均衡器输出的信号进行重计时――因此降低了抖动积聚。 关键在于使本地时钟和发送时钟同步，因为在发送超过1 Gbps的数据时，频率的偏差（即使1ppm的偏差）也将迅速导致灾难。这里的同步将通过锁相环（PLL）实现。  图7 重新计时器的结构图 数据首先进入重新计时器，然后把数据跳变的相位与振荡器时钟的相位进行比较。大多数PLL都具有一个恒定的时钟作为输入参考信号――相位比较器仅比较输入信号和VCO输出信号的相对相位。在重新计时器中，输入信号是数据，它并没有在每个时钟跳变沿进行跳变，而且输入数据的极性也不相关（仅有跳变的位置对VCO时钟上升沿的位置）。因此，重新计时器的相位比较器需要根据重计时函数专门进行设计。如果输入数据沿先于时钟上升沿到来，相位比较器将产生一个正脉冲。如果输入数据沿晚于时钟上升沿到来，相位比较器将产生一个负脉冲――如果输入数据具有噪声，而且噪声的带宽大于积分器的时间常数，那么所有的噪声都将被滤除，VCO时钟将会在输入数据的平均频率处保持稳定。如果输入数据率的变化速率低于积分器的时间常数，积分器就能够使VCO跟踪这些变化。 重新计时器的核心部件是一个压控振荡器(VCO)，该电路生成一个规则的时钟，频率可以通过控制电压进行调节。为了获得高质量的重计时输出，VCO必须具有很低的抖动，并且易于控制――很多分立的重新计时器通过压控晶振 (VCXO)来实现上述功能，但是这些元件价格昂贵，而且难于操作。在单片IC上设计出一个高质量VCO（作为集成元件）是可能的，但是比较困难。 一旦从输入信号中再生出一个高质量而且规则的稳定时钟，最后一步就是利用该时钟对输入数据进行重计时――用再生时钟对跳变进行定位，从而产生一个低抖动信号。 重新计时器有两个主要指标，一个是它的抖动容限（允许输入信号有多大的抖动），另一个是剩余抖动的大小――即到达输出端抖动的大小。 在设计重新计时器的过程中，设计师需要在设计指标之间进行权衡――通过降低积分器的时间常数，并且使VCO具备更大的调谐范围，可以维持大抖动信号的锁定状态，然而代价是输出数据中将会含有较多抖动。  图8 LMH0046 重新计时器的输入和输出 小结 尽管航空旅行时行李难免会受到一定的损害，但是还是有可能把信号发送到一定距离，经过电缆或者底板接口，然后把它恢复成高质量的信号――甚至比以前的信号更好！答案就是利用均衡器消除传输介质的低通滤波效应，然后使用重新计时器重建信号的时序完整性。虽然均衡和重计时所支持的电缆长度有限，但是只要信号能够被正确地接收，链路的数量将不受限制。 工具条：关于抖动的10个最常见问题 什么是抖动？ 抖动是时域上信号跳变与其理想位置的偏移。如果对示波器上的眼图进行观察，抖动使眼图垂直部分变得粗而模糊。 如何向信号中添加抖动以便对接收器进行测试？ 最常用的方法是使用具有外部时钟源的图形发生器，而且该时钟源能够进行相位或者频率调制。调制源既可以是正弦波，此时可以在一定范围内扫描抖动频率；也可以是白噪声，以接近随机抖动；或者是方波以模仿确定抖动。 什么是抖动容限？ 抖动容限是指在系统可以承受并且能够无差错地重建输入信号的情况下，所允许的输入抖动量。有时它被指定为频率的函数，通常这些指标或者要求被划分成不同的频率区域――例如，系统可能要求在抖动频率为10KHz的情况下，允许2UI的抖动量，但是当抖动频率超过1MHz时，系统可能只允许0.5UI的抖动量。 什么是抖动传输函数，以及为什么要对它进行考虑？ 抖动传输函数是指输入抖动对输出抖动的比值，通常表示成频率的函数。显然我们希望重新计时器的输出抖动小于输入抖动。如果存在一个频率范围使该比值小于1（意味着输出抖动比输入抖动大），那么使用该设计的级联链路将会很快崩溃。 什么是剩余抖动？ 剩余抖动是指电路输出端所具有的抖动量（不管是重新计时器还是串行器，抑或其它功能模块）。通常它被划分成确定抖动和随机抖动。 什么是固有抖动？ 固有抖动是指当输入没有抖动时设备输出端所出现的抖动。这是我们对特定设备所能期望的最好情况。 什么是随机抖动？ 如果观察抖动谱，很多时候它像白噪声――完全随机。如果把信号发送给一条长电缆，在到达均衡器之前信号的沿速率很慢。此时进入系统的随机噪声将被均衡滤波器放大，然后转化成随机抖动。 什么是确定抖动？ 还有一些不同的方式可以让那些并非随机的抖动进入信号。如果与信号的上升/下降时间相比，位单元较短，那么信号的高度将会发生变化，这决定于最后的位单元中是否有跳变。这可以参见“XXX”。这时正在发送的位图形将使眼图开度的高度和宽度同时发生退化。  图9 不同的波形如何进行组合以产生确定抖动 确定抖动还可以通过串行器产生，该串行器生成一个内部发送时钟（并不均匀），对于一个10:1的串行器来讲，第5个时钟周期会比其它时钟周期稍微长一点，这将产生一个特定节奏，看起来类似于串行器输出端的抖动。 什么是定位抖动和定时抖动？ 除了指定随机抖动和确定抖动之外，视频产业还通过电影与电视工程师学会(SMPTE) 规定了定位抖动和定时抖动。定位抖动是指相对于再生时钟，数据跳变的偏差，而定时抖动是指相对于稳定时钟，再生时钟沿的跳变偏差。请注意通过这种定义方式，定位抖动和定时抖动都依赖于用于时钟再生的PLL的带宽。如果想了解视频系统测量抖动的更多方式，请阅读RP192 规格说明，网址是 www.smpte.org。那些用来测量视频信号抖动的视频测试设备（比如Tektronix WFM-700 ）允许用户改变PLL的带宽，因此可以得到任何抖动的频谱。 如何测量剩余抖动？ 有若干种方法可以测量抖动。最常用方法是利用低抖动PLL（通常基于VCXO）从信号中再生出时钟，然后利用该时钟触发示波器（接收到的信号已经连到了它的输入端）。示波器会显示一个眼图，而且给出一个交点的柱状图，从而得到抖动的测量结果。大多数系统观察的都是RMS抖动，它也经常是示波器所提供的测量结果。 如何测量抖动容限？ 大多数系统都会有一个针对最大剩余抖动的指标，尽管有些情况下只是简单要求能够接收到信号。为了测量抖动容限，逐渐增加系统的输入抖动，直到输出抖动超过最大指标。很多时候该过程将在不同抖动频率下进行重复，从而绘制出抖动容限相对于抖动频率的曲线。 为什么只有上述9个关于抖动的问题？ 因为很少提出第10个问题。 |
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