用于測(cè)量、識(shí)別和消除高速串行通信鏈路上的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的擬議框架

隨著新的和成功的串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)從快速發(fā)展到非?？?，設(shè)計(jì)人員必須在這些高速信號(hào)的模擬方面投入更多的時(shí)間。僅僅停留在數(shù)字領(lǐng)域與一和零已經(jīng)不夠了。為了找到并糾正導(dǎo)致潛在問題的條件，從而防止這些問題出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員還必須檢查其設(shè)計(jì)的參數(shù)化領(lǐng)域。信號(hào)完整性（SI）工程師必須減輕或消除時(shí)序抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。以下討論提供了一個(gè)簡單實(shí)用的過程，用于表征1Gbps及以上的高速串行數(shù)據(jù)鏈路。

介紹

高速串行鏈路的表征取決于SI工程師發(fā)現(xiàn)、理解和解決嚴(yán)重抖動(dòng)問題的能力。在本討論中，我們假設(shè) PHY（物理層）或 SerDes（串行器-解串器）設(shè)備的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù) （CDR） 模塊符合適用于該設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。在串行通信系統(tǒng)中，CDR從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)。因此，一個(gè)關(guān)鍵操作是從串行數(shù)據(jù)流中提取數(shù)據(jù)，并將其與數(shù)據(jù)發(fā)送器時(shí)鐘同步。

發(fā)射器總是對(duì)恢復(fù)的時(shí)鐘產(chǎn)生一些抖動(dòng)，但我們假設(shè)這種貢獻(xiàn)很小。因此，為了簡化起見，我們假設(shè)在恢復(fù)的時(shí)鐘上看到的任何抖動(dòng)都耦合到電纜中的鏈路（作為EMI）或PCB內(nèi)的鏈路（作為串?dāng)_）。

“抖動(dòng)傳輸”、“抖動(dòng)容限”和“抖動(dòng)產(chǎn)生”是重要的措施，但它們更適用于 PHY 和 SerDes 設(shè)備，而不是系統(tǒng)通道的測(cè)試。我們假設(shè)設(shè)計(jì)中使用的器件滿足所有器件級(jí)一致性測(cè)試。因此，我們專注于整個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)槲覀冋业搅艘环N在接收器上可靠地捕獲串行數(shù)據(jù)的方法。我們關(guān)注的是系統(tǒng)通道表征，而不是器件表征。此類通道（圖 1）由發(fā)射器 PHY、FR4（PCB 材料）、連接器、屏蔽電纜、連接器、FR4 和接收器 PHY 組成。

圖1.通道陣容包括 FR4 （PCB 材料）、電纜和連接器以及更多 FR4。

嵌入式電信卡是用于收集本文中許多測(cè)量值的混合信號(hào)板，是“無線電單元”的一部分。無線電單元通過公共無線電接口 （CPRI） 連接到基站，這是基站和無線電單元之間通信的新標(biāo)準(zhǔn)。CPRI 中的一個(gè)物理層包括無線電數(shù)據(jù)（IQ 數(shù)據(jù)）以及管理、控制和同步信息。對(duì)于本文中描述的應(yīng)用，CPRI 指定為在 1.2288Gbps 的串行鏈路上運(yùn)行。然后對(duì)該串行鏈路進(jìn)行表征和測(cè)量，以說明本文中描述的抖動(dòng)測(cè)試。

抖動(dòng) — 了解其構(gòu)成

實(shí)現(xiàn)高速串行通信接口規(guī)定的性能的最重要步驟包括了解抖動(dòng)、查找其原因以及消除其某些影響。本文不是關(guān)于抖動(dòng)本身主題的教程，但是如果不對(duì)抖動(dòng)說一兩個(gè)字，就很難談?wù)摐y(cè)試串行通信鏈路。因此，本節(jié)中的討論是針對(duì)那些不熟悉該主題的人。

抖動(dòng)定義為信號(hào)邊沿與其理想位置在時(shí)間上的變化。更重要的是，抖動(dòng)是數(shù)字信號(hào)的重要邊沿與其理想位置在時(shí)間上的未對(duì)準(zhǔn)（圖2）。抖動(dòng)也可以看作是數(shù)字信號(hào)的不需要的相位調(diào)制。SI工程師必須在一開始就了解一個(gè)基本前提：滿足串行鏈路數(shù)據(jù)速率但同時(shí)不滿足其抖動(dòng)規(guī)格的接收器可能無法可靠運(yùn)行。因此，抖動(dòng)特性對(duì)于保證系統(tǒng)可接受的誤碼率（BER）至關(guān)重要。抖動(dòng)會(huì)影響時(shí)序裕量和同步，同時(shí)導(dǎo)致一長串其他問題。

圖2.對(duì)于單個(gè)脈沖，抖動(dòng)可以定義為邊沿時(shí)序的偏差。

抖動(dòng)被視為輸出轉(zhuǎn)換與其理想位置的偏差，是串行鏈路時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)的重要性能指標(biāo)。抖動(dòng)的不斷增量增加最終會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。請(qǐng)記住，在硬件系統(tǒng)上進(jìn)行的任何時(shí)域測(cè)量都與用于采集它的采樣信號(hào)一樣好。

當(dāng)今的串行通信系統(tǒng)選擇在數(shù)據(jù)流中嵌入時(shí)鐘信息，而不是在接收器上使用外部觸發(fā)信號(hào)。因此，時(shí)鐘必須從接收的比特流本身中恢復(fù)。此功能稱為 CDR，如典型 SerDes 接收器的框圖所示（圖 3）。但是，如果輸入信號(hào)的抖動(dòng)或相位噪聲超過一定量，則恢復(fù)的時(shí)鐘無法與數(shù)據(jù)保持準(zhǔn)確對(duì)齊。未對(duì)齊會(huì)導(dǎo)致各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間放置不準(zhǔn)確。

圖3.此框圖描述了一個(gè)通用的SerDes接收器。

為了最小化 BER，必須根據(jù)數(shù)據(jù)流正確計(jì)時(shí)此相移，因此串行通信標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在更加重視高精度的抖動(dòng)測(cè)量。抖動(dòng)通常分為確定性抖動(dòng)（DJ）或隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）。由于每種類型的抖動(dòng)的產(chǎn)生方式不同，因此它們被單獨(dú)表征。

抖動(dòng)的兩個(gè)基本組成部分：DJ 和 RJ

隨機(jī)抖動(dòng)表示沒有可識(shí)別模式的定時(shí)噪聲。出于建模目的，假設(shè) RJ 具有高斯概率分布（圖 4）。通常由于自然力量，RJ是統(tǒng)計(jì)的和無限的。（它的特點(diǎn)是其標(biāo)準(zhǔn)偏差值，以RMS數(shù)量表示。因此，提供沒有樣本量的 RJ 規(guī)范沒有多大意義。然而，除了測(cè)量系統(tǒng)中RJ的值外，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員很少使用此參數(shù)。（找到RJ的原因是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，超出了本文的范圍。

圖4.高斯（正態(tài)）分布相對(duì)于最大值是對(duì)稱的。

確定性抖動(dòng)是由系統(tǒng)中的事件引起的;它表現(xiàn)為具有“有點(diǎn)”可識(shí)別模式的定時(shí)噪聲。DJ 通常是可重復(fù)的、持久的和可預(yù)測(cè)的。此外，這通常是電路、布局和傳輸線等領(lǐng)域設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的結(jié)果。它通常是非高斯的，參考層不良導(dǎo)致的電源噪聲也是如此。

確定性抖動(dòng)進(jìn)一步分為子分量：周期性抖動(dòng)（圖5中的PJ）;數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)（DDJ，也稱為碼間干擾或ISI）;占空比失真抖動(dòng)（DCDJ）;以及任何其他不相關(guān)且與數(shù)據(jù)有界的時(shí)序抖動(dòng)。PJ可能由其他信號(hào)的串?dāng)_和靠近串行數(shù)據(jù)信號(hào)的半導(dǎo)體開關(guān)引起）;通過電磁干擾（EMI）;以及其他不需要的調(diào)制。DCDJ是由數(shù)據(jù)中的不平衡轉(zhuǎn)換（即上升和下降時(shí)間的差異）引起的，DDJ與數(shù)據(jù)流中的位序列抖動(dòng)相關(guān)（也受通道頻率響應(yīng)的影響）。1

圖5.對(duì)于PJ，時(shí)序偏差具有可預(yù)測(cè)的模式。

總抖動(dòng) （萬億焦耳）

正如您可能猜到的那樣，TJ 由隨機(jī)和確定性組件組成（圖 6）。有幾種估計(jì)TJ的技術(shù)。有些人通過將TJ解析為RJ和DJ組件，然后使用RJ組件前面的乘數(shù)將它們相加來找到TJ。其他方法通過外推時(shí)間間隔誤差 （TIE） 測(cè)量的直方圖來查找 TJ。TJ 通常是以皮秒或單位間隔 （UI） 的小數(shù)部分表示的峰峰值。例如，0.2UI 表示抖動(dòng)是數(shù)據(jù)眼的 20%。

圖6.如圖所示，系統(tǒng)中的總抖動(dòng)可以包括各種類型的（組件）。

因此，要預(yù)測(cè)系統(tǒng)的整體性能，您必須了解抖動(dòng)的類型及其影響。由于抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致時(shí)序誤差，因此檢定和鑒定系統(tǒng)中的所有抖動(dòng)分量變得越來越重要。但是，在此之前，您必須確定抖動(dòng)的來源。如前所述，這兩種類型（隨機(jī)和確定性）具有不同的來源。設(shè)計(jì)人員對(duì)現(xiàn)有嵌入式電路板系統(tǒng)中的 RJ 源幾乎沒有控制權(quán)，2但良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐將大大減少甚至消除DJ的來源。每個(gè)抖動(dòng)分量都有特定原因，如表1所示。1

實(shí)現(xiàn)特性良好的高速串行鏈路的六個(gè)步驟

鏈路表征框架

此處介紹的鏈路表征框架有助于識(shí)別和測(cè)量時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的來源。該技術(shù)取決于設(shè)計(jì)人員分離抖動(dòng)源的能力，并專注于此測(cè)試框架揭示的問題區(qū)域。抖動(dòng)測(cè)試通常需要觀察通道上的重復(fù)測(cè)試模式。

要使用的數(shù)據(jù)模式很重要，因?yàn)榉瓷浜虸SI都是依賴于數(shù)據(jù)的噪聲源。本文中用于收集大部分繪圖的測(cè)試模式包括混合頻率重復(fù) K28.5 序列（也稱為逗號(hào)字符：K28.5 = 00111110101100000101）和偽隨機(jī)位序列 （PRBS-23）。PRBS模式提供了在實(shí)際數(shù)據(jù)流量中可能觀察到的不同位序列的良好分布。還提供用于抖動(dòng)評(píng)估的其他一致性測(cè)試模式，包括抖動(dòng)測(cè)試模式 （JTPAT）、一致性隨機(jī)模式 （CRPAT） 和合規(guī)性 JTPAT （CJTPAT），僅舉幾例。

獲得準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵在于為您的應(yīng)用選擇合適的測(cè)量設(shè)備（例如示波器和探頭）。對(duì)于該框架的第 1 步（以及其余步驟），信號(hào)在通過 50Ω 傳輸線形成的通道傳播后進(jìn)行測(cè)量，該通道還包括電纜、連接器和 FR4 PCB。焊接到PCB走線，盡可能靠近接收器IC，具有高帶寬和低容性負(fù)載的差分高性能探頭。

第 1 步。量化隨機(jī)和確定性抖動(dòng)（RJ 和 DJ）

首先，觀察信令電平。然后，收集鏈路測(cè)量值并將其與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。（表 2 給出了與 XAUI 規(guī)范的測(cè)量示例，XAUI 規(guī)范是 PHY 輸入特性的測(cè)量值。SI 工程師可以為測(cè)試系統(tǒng)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建類似的矩陣。

眼圖是評(píng)估高速信號(hào)完整性的最重要測(cè)量工具之一。它疊加來自多個(gè)單位間隔 （UI） 的波形，使用實(shí)際時(shí)鐘或重建的時(shí)鐘作為時(shí)序參考。由于眼圖可幫助您可視化波形的幅度行為和定時(shí)行為，因此它是抖動(dòng)最有用的表示之一。圖7顯示了從XAUI通道獲取的眼圖測(cè)量結(jié)果。

圖7.此眼圖（XAUI 測(cè)量）顯示在 PHY 設(shè)備的輸入端。

使用示波器上加載的時(shí)序分析軟件（例如，泰克的 TDSJIT3）。將示波器設(shè)置為“黃金PLL”后，SI工程師可以設(shè)置表2中所示的參數(shù)，并捕獲信道流量的眼圖。然后，可以針對(duì)所使用的特定標(biāo)準(zhǔn)完成表2所示的矩陣。（黃金PLL是一種濾除示波器觸發(fā)抖動(dòng)的方法，從而確保鏈路上實(shí)際存在測(cè)量的抖動(dòng)幅度和直方圖中表示的任何抖動(dòng)。

第 2 步。測(cè)量幅度噪聲或電壓誤差直方圖

此步驟測(cè)量幅度噪聲，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)誤差。我們正在查看幅度的概率密度函數(shù) （PDF） 是否在 1 和 0 水平上都具有正態(tài)分布。（圖 8 顯示了 XAUI 鏈接的 PDF。直方圖中以藍(lán)色顯示的隨機(jī)振幅噪聲（以紅色圈出）可視為正態(tài)分布。SI工程師還可以將此圖用作圖形輔助，以確定是否存在其他信令問題，例如過沖和下沖。如果幅度噪聲是一個(gè)問題（例如，如果幅度直方圖是雙峰的），那么我們的電路板上可能存在功率分配問題。

圖8.電壓噪聲可以從眼圖得出，如下所示。

第 3 步。比較眼圖與“遠(yuǎn)端”面罩

步驟3允許您估計(jì)長數(shù)據(jù)序列中接收信號(hào)的抖動(dòng)質(zhì)量。許多抖動(dòng)應(yīng)用包都包括標(biāo)準(zhǔn)模板，其最小閉合尺寸允許您評(píng)估測(cè)量通道的質(zhì)量。通過將眼圖與接收掩碼進(jìn)行比較，您可以查看給定配置中的眼閉量。眼睛應(yīng)該沒有面罩（圖9a和9b）。

（二）

圖9.通過將XAUI遠(yuǎn)端遮罩應(yīng)用于測(cè)量的眼圖，您可以辨別壞情況（a）和好情況（b）。

在此階段，測(cè)試人員還將眼圖的上升沿與下降沿分開分析。在圖 10 的示例中，可以清楚地觀察到上升沿和下降沿在眼交叉點(diǎn)處未在中間對(duì)齊（雙峰直方圖在圖中的中間頂部圈出）。該雙峰直方圖表示通道上存在周期間抖動(dòng)或PJ。直方圖也可以表示DCD或ISI抖動(dòng)。

圖 10.該數(shù)據(jù)眼在交叉口邊緣顯示雙峰直方圖。

設(shè)計(jì)人員通常將測(cè)試限制在TJ的測(cè)量上，因此只能查看代表TJ（DJ和RJ混合在一起）的直方圖。但是，要了解抖動(dòng)的根本原因并消除其貢獻(xiàn)組件，必須分離和識(shí)別每個(gè)組件。由于眼圖是一種通用工具，只能深入了解信號(hào)的幅度和定時(shí)行為，因此需要其他方法來分離抖動(dòng)分量。

在下一步中，我們通過分析抖動(dòng)直方圖和浴缸圖將TJ分成不同的組件。

第 4 步。單獨(dú)的抖動(dòng)類型和組件

為了防止抖動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)，必須能夠分離RJ和DJ組件。步驟 4 中描述的技術(shù)可讓您區(qū)分這些類型的抖動(dòng)，并有助于調(diào)試和設(shè)計(jì)驗(yàn)證以及系統(tǒng)鏈路的表征。

現(xiàn)在，我們將分析在前面各節(jié)中收集的一些直方圖。

直方圖圖 TJ直方
圖是抖動(dòng)分析的一個(gè)很好的初步。如上文抖動(dòng)的兩個(gè)基本組件：DJ 和 RJ 以及圖 4 所述，出于建模目的，假設(shè) RJ 具有高斯（正態(tài)）分布。這意味著它的概率密度函數(shù)由眾所周知的鐘形曲線描述。與我們的PRBS-23數(shù)據(jù)相關(guān)的TIE直方圖如圖11a和11b所示。請(qǐng)注意，TJ 直方圖也可以是多模態(tài)的。

圖 11.典型的抖動(dòng)直方圖幾乎可以是高斯（a）和雙峰（b）。

圖11a的直方圖不一定是理想的，但圖11b的直方圖肯定指出了設(shè)計(jì)不佳的問題。如圖 10 所示，雙峰直方圖涉及中間未對(duì)齊的上升沿和下降沿。（一些系統(tǒng)性問題是“搞砸”直方圖并使其非高斯圖。雙峰直方圖通常表示大量的DJ。

當(dāng)同時(shí)存在 DJ 和 RJ 分量時(shí)，抖動(dòng)直方圖通常會(huì)變寬，不再類似于高斯分布。在這種情況下，左右峰值之間的差異代表DJ，并且由比應(yīng)有的交叉點(diǎn)高一點(diǎn)的交叉點(diǎn)產(chǎn)生。這種情況可能與給定周期內(nèi)的串?dāng)_信號(hào)引起的DCD抖動(dòng)有關(guān)。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)師來說，分析直方圖作為眼圖的補(bǔ)充見解非常重要。

浴缸圖

與直方圖一樣，浴缸圖提供了一種查看抖動(dòng)并分析其時(shí)序的有效方法。通過將 BER 繪制為位間隔內(nèi)采樣位置的函數(shù)，浴缸圖表示眼圖與 BER 的關(guān)系（圖 12）。（以預(yù)期的最大錯(cuò)誤率為 10 的操作-12已成為許多系列標(biāo)準(zhǔn)中的事實(shí)要求。如圖12所示，DJ形成了浴缸曲線幾乎平坦的水平部分（金色區(qū)域），而斜率部分（藍(lán)色區(qū)域）是由于RJ。您還可以看到以下等式適用：

抖動(dòng)眼開 + TJ = 1UI

圖 12.此浴缸圖顯示了 BER 與決策時(shí)間的關(guān)系。

測(cè)量抖動(dòng)直方圖和/或浴盆曲線是通知SI工程師系統(tǒng)中抖動(dòng)的主要步驟。然而，這兩種測(cè)量都沒有揭示抖動(dòng)分量的單個(gè)來源。在下一步中，我們嘗試通過將DJ分成其組件來確定其根本原因。

第5步。診斷抖動(dòng)的根本原因

我們現(xiàn)在分析頻域抖動(dòng)，揭示DJ分量（即PJ，ISI，DCD等）作為不同的單頻雜散（線譜），可以很容易地可視化以確定其來源。這些頻域視圖可以包括相位噪聲圖、抖動(dòng)頻譜圖或抖動(dòng)趨勢(shì)的快速傅里葉變換 （FFT）。

數(shù)據(jù)TIE圖
的抖動(dòng)頻譜 有幾種技術(shù)可用于測(cè)量單個(gè)波形上的抖動(dòng)。一種技術(shù)檢查TIE的頻譜。TIE是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與其理想（無抖動(dòng)）位置的時(shí)序偏差。（請(qǐng)參閱上一節(jié)關(guān)于總抖動(dòng)。簡而言之，TIE 測(cè)量時(shí)鐘的每個(gè)有源邊沿與其理想位置相差的距離。TIE很重要，因?yàn)樗@示了即使是少量抖動(dòng)的累積效應(yīng)3隨著時(shí)間的推移。

我們現(xiàn)在回到正在表征的串行鏈路。圖13顯示了鏈路上TIE的抖動(dòng)頻譜圖。在圖中，雜散顯示了通道在特定時(shí)間點(diǎn)的快照。馬刺的編號(hào)為 F1、F2、F3 和 F4。第一個(gè)雜散位于F1 = 61.44MHz（恢復(fù)時(shí)鐘的基頻）。雜散 F2 和 F4 是 F1 的整數(shù)倍（諧波）。雜散F3的頻率為153.18MHz，似乎不適合，因?yàn)榘迳蠜]有具有此頻率的時(shí)鐘源。F3表示卡上兩個(gè)或多個(gè)頻率的互調(diào)。當(dāng)高速信號(hào)穿過電源/接地層的分離時(shí)，也可以產(chǎn)生它。當(dāng)高速信號(hào)通過分離參考平面時(shí)，電流返回路徑中的不連續(xù)性會(huì)產(chǎn)生輻射。

圖 13.該數(shù)據(jù)的TIE光譜揭示了PJ的四個(gè)顯著雜散。

頻譜分析 為了揭示抖動(dòng)源，SI工程師必須對(duì)抖動(dòng)頻譜圖進(jìn)行頻譜分析，以確定每個(gè)抖動(dòng)源的調(diào)制頻率。頻域圖表現(xiàn)出獨(dú)特的頻率雜散。您可以使用以下方法隔離某些 DJ 組件：

隔離PJ
有時(shí)，串行數(shù)據(jù)通道會(huì)顯示一個(gè)漂亮的直方圖（高斯分布），但同一鏈路上的TIE頻譜顯示出一些雜散。這意味著一個(gè)小的PJ可以埋在RJ中，在TJ的直方圖上不可見。因此，即使抖動(dòng)數(shù)沒有超出規(guī)格，也值得進(jìn)行頻譜分析以消除所有抖動(dòng)源。

在圖13的頻譜圖分析中，F(xiàn)3被視為不需要的調(diào)制的結(jié)果。正是這種類型的不需要的調(diào)制（例如由于EMI或串?dāng)_）通常會(huì)導(dǎo)致PJ。PJ的特征是它以固定的頻率重復(fù)。這種不需要的調(diào)制也可能由交叉耦合引起，例如從電源模塊耦合到數(shù)據(jù)或系統(tǒng)時(shí)鐘的開關(guān)噪聲。

隔離占空比失真（DCD）
DCD指出數(shù)字轉(zhuǎn)換的上升和下降時(shí)間的差異以及前面提到的器件開關(guān)閾值的變化。DCD是由差分輸入之間的電壓偏移以及系統(tǒng)上升和下降時(shí)間的差異引起的。例如，圖 9 中的上升沿和下降沿在中間未對(duì)齊。SI 工程師可以嘗試通過使用高頻模式（如 D21.5 （1010101010...））刺激系統(tǒng)來隔離 DCD。這種模式在顯示DCD的同時(shí)消除ISI是有效的。

隔離 ISI
DDJ的一個(gè)常見來源是傳輸串行數(shù)據(jù)的信號(hào)路徑的頻率響應(yīng)。ISI是DDJ的一種。它是在包括電纜和連接器的頻道陣容中創(chuàng)建的;它受到FR4 PCB材料損耗的影響.由于ISI通常是發(fā)射器或信號(hào)路徑帶寬限制的結(jié)果，因此信號(hào)中有限的上升和下降時(shí)間會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)位產(chǎn)生不同的幅度。3DDJ的另一個(gè)主要來源是由于總線端接不當(dāng)而導(dǎo)致的通道陣容阻抗不匹配。終端阻抗不匹配的傳輸線引起的反射會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)的延遲和/或衰減。

第 6 步。優(yōu)化發(fā)射預(yù)加重和接收均衡

眾所周知，PCB上有損耗的FR4走線引起的衰減量取決于信號(hào)速度和傳輸介質(zhì)的長度。簡而言之，F(xiàn)R4 損耗在較高的開關(guān)頻率下更為嚴(yán)重。預(yù)加重和均衡可以減輕信號(hào)衰減和衰減的影響，從而恢復(fù)原始信號(hào)。此鏈路優(yōu)化步驟不僅適用于支持發(fā)射器預(yù)加重和接收器均衡的PHY器件設(shè)計(jì)，也適用于用于預(yù)加重和均衡的分立IC的分立IC，可用于補(bǔ)償FR4材料引起的傳輸損耗。步驟 6 適用于包括調(diào)整 SerDes/PHY 器件的預(yù)加重和均衡電平的設(shè)計(jì)。因此，我們假定有關(guān)制度包括此類規(guī)定。

最佳預(yù)加重預(yù)加重
是一種信號(hào)改善技術(shù)，可在電纜遠(yuǎn)端（接收器處）打開眼圖模式。通常，預(yù)加重通過增加某些頻率相對(duì)于其他（通常較低）頻率的幅度來提高傳輸信號(hào)質(zhì)量。關(guān)鍵是要為設(shè)計(jì)找到最佳的預(yù)加重設(shè)置。

對(duì)于支持不同預(yù)加重級(jí)別的 SerDes 和 PHY 設(shè)備，SI 工程師可以逐步完成這些級(jí)別并選擇具有最佳眼睛的級(jí)別或達(dá)到 BER 10 的級(jí)別-12或更好。此外，還提供預(yù)加重驅(qū)動(dòng)器IC，如MAX3982，可通過手動(dòng)調(diào)諧發(fā)射器相對(duì)于接收器的眼開度和ISI抖動(dòng)來優(yōu)化性能。

與嵌入在SerDes/PHY器件中的分立式預(yù)加重IC相比，使用分立式預(yù)加重IC略有優(yōu)勢(shì)：測(cè)試儀可以使用示波器捕獲接收器輸入端的眼圖，并快速看到信號(hào)質(zhì)量的改善。簡單來說，眼睛越寬，質(zhì)量越好。因此，SI 工程師應(yīng)該使用最少的預(yù)強(qiáng)調(diào)來尋找最佳的眼睛開度。規(guī)則是：不要過分強(qiáng)調(diào)。最佳設(shè)置應(yīng)可改善通道的整體抖動(dòng)性能。

最佳均衡 除了添加預(yù)加重之外，您還可以通過優(yōu)化接收器的均衡
設(shè)置來最小化ISI的影響。均衡器消除和/或克服在PCB和電纜上行進(jìn)時(shí)對(duì)波形引入的高頻衰減的影響。接收器的均衡器補(bǔ)償接收到的信號(hào)，以補(bǔ)償PCB材料中的介電和蒙皮損耗，以及電纜中的高頻損耗。

在實(shí)際和實(shí)驗(yàn)意義上，當(dāng)該功能嵌入SerDes或PHY器件時(shí)，很難評(píng)估接收均衡的效果。外部接收器均衡器IC如MAX3784可以提供一種在示波器上快速觀察接收器均衡結(jié)果的方法（與SerDes的誤碼率測(cè)試相反）。圖14所示為3784Gbps信號(hào)速率均衡前后MAX5均衡器的輸入眼圖。這些測(cè)量是在 FR40 PCB 材料上的 6 英寸、4 密耳走線（帶狀線）上進(jìn)行的。

圖 14.均衡器輸入端的眼圖（a）顯示了均衡（b）后的改善。

鏈路性能
雖然發(fā)射器的預(yù)加重有助于減輕數(shù)據(jù)中相鄰符號(hào)造成的干擾，但接收器的均衡也有助于實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果，如圖14所示。預(yù)加重和均衡是當(dāng)今減少或克服串行傳輸介質(zhì)中傳輸損耗的主要技術(shù)。

一個(gè)重要的問題仍然存在：多少預(yù)加重和/或均衡才足夠？答案取決于應(yīng)用和頻道陣容。盲目地將系統(tǒng)設(shè)置為過多的預(yù)加重或均衡可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。SI 工程師必須進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量測(cè)量，以確定給定應(yīng)用的適當(dāng)預(yù)加重和均衡量。Maxim擁有豐富的預(yù)加重和均衡器IC產(chǎn)品組合，適用于電路板和電纜應(yīng)用。器件覆蓋1Gbps （MAX3803）至12.5Gbps （MAX3804）的范圍。

圖 15.選擇預(yù)加重/均衡器IC的指南顯示為電路板和電纜的數(shù)據(jù)速率和信號(hào)路徑長度的函數(shù)。

結(jié)論

如果您今天設(shè)計(jì)一個(gè)高速數(shù)字系統(tǒng)，那么您很可能會(huì)滿足抖動(dòng)規(guī)格或抖動(dòng)預(yù)算。了解抖動(dòng)及其原因可以創(chuàng)建高性能系統(tǒng)。將TJ精確分離為RJ和DJ，將DJ精確分離到其子組件（PJ，DCD，ISI）中，對(duì)于符合串行標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。了解抖動(dòng)的復(fù)雜性對(duì)于提供診斷信息以改進(jìn)設(shè)計(jì)也很重要。

設(shè)計(jì)師必須確保他們的設(shè)計(jì)出于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的原因而工作，但他們也必須知道他們的設(shè)計(jì)停止工作的點(diǎn)。通過識(shí)別抖動(dòng)及其來源，本文提出的鏈路表征框架（見圖16）應(yīng)有助于提高系統(tǒng)性能。

圖 16.擬議的測(cè)量、識(shí)別和消除時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)框架包括六個(gè)步驟。

審核編輯：郭婷