數(shù)字工程師需要掌握的射頻知識(shí)

四、信號(hào)處理技術(shù)

既然傳輸通道的ISI的影響可以通過(guò)事先對(duì)傳輸通道的特性進(jìn)行精確測(cè)量而預(yù)測(cè)出來(lái)，那么就有可能對(duì)其進(jìn)行修正。發(fā)送端的預(yù)加重和接收端的均衡電路就是兩種最常見(jiàn)的對(duì)通道傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā鬏斖ǖ雷蠲黠@的影響是其低通的特性，即會(huì)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行比較大的衰減。對(duì)于一個(gè)方波信號(hào)來(lái)說(shuō)，其高次諧波對(duì)于信號(hào)形狀的影響很大，如果所有高次諧波全部被衰減掉了，方波看起來(lái)就象個(gè)正弦波了。

預(yù)加重（Pre-emphasis）是一種在發(fā)送端事先對(duì)發(fā)送信號(hào)的高頻分量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。這種方法是增大信號(hào)跳變邊沿后第一個(gè)bit（跳變bit）的幅度（預(yù)加重）。比如對(duì)于一個(gè)00111的序列來(lái)說(shuō)，做完預(yù)加重后序列里第一個(gè)1的幅度會(huì)比第二個(gè)和第三個(gè)1的幅度大。由于跳變bit代表了信號(hào)里的高頻分量，所以這種方法有助于提高發(fā)送信號(hào)里的高頻分量。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，有時(shí)并不是增加跳變bit的幅度，而是相應(yīng)減小非跳變bit的幅度，這種方法有時(shí)又叫去加重（De-emphasis）。

圖7.預(yù)加重對(duì)信號(hào)的影響

當(dāng)信號(hào)速率進(jìn)一步提高或者傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，僅僅使用發(fā)送端的預(yù)加重技術(shù)已不能充分補(bǔ)償傳輸通道帶來(lái)的損耗，這時(shí)就需要在接收端同時(shí)使用均衡技術(shù)來(lái)提高信號(hào)質(zhì)量以保證正確的0/1判決。常見(jiàn)的信號(hào)均衡技術(shù)有3種：CTLE（continuous timelinear equalizer )，F(xiàn)FE（feed forwardequalization）和DFE（decision feedbackequalizer）。

CTLE是在接收端提供一個(gè)帶通濾波器，這個(gè)帶通濾波器可以對(duì)信號(hào)里的主要高頻分量進(jìn)行放大，這點(diǎn)和發(fā)送端的預(yù)加重技術(shù)帶來(lái)的效果是類似的。FFE則是根據(jù)相鄰bit的電壓幅度的加權(quán)值來(lái)進(jìn)行幅度的修正，每個(gè)相鄰bit的加權(quán)系數(shù)直接和通道的沖擊響應(yīng)有關(guān)。CTLE和FFE都是線性均衡技術(shù)，而DFE則是非線性均衡技術(shù)。DFE技術(shù)是通過(guò)相鄰bit的判決電平對(duì)當(dāng)前bit的判決閾值進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)合理的DFE可以有效補(bǔ)償ISI對(duì)信號(hào)造成的影響。但是DFE正確工作的前提是相鄰bit的0/1電平是判決正確的，所以對(duì)于信號(hào)的信噪比有一定要求。一般情況下是先用CTLE或FFE來(lái)把信號(hào)眼圖打開(kāi)，然后再用DFE進(jìn)一步優(yōu)化。

圖8.均衡對(duì)信號(hào)眼圖的改善

五、信號(hào)抖動(dòng)分析

抖動(dòng)（Jitter）反映的是數(shù)字信號(hào)偏離其理想位置的時(shí)間偏差。高頻數(shù)字信號(hào)的bit周期都非常短，一般在幾百ps甚至幾十ps，很小的抖動(dòng)都會(huì)造成信號(hào)采樣位置電平的變化，所以高頻數(shù)字信號(hào)對(duì)于抖動(dòng)都有嚴(yán)格的要求。

圖9.抖動(dòng)的定義

實(shí)際信號(hào)的很復(fù)雜，可能既有隨機(jī)抖動(dòng)成分（RJ），也有不同頻率的確定性抖動(dòng)成分（DJ）。確定性抖動(dòng)可能由于碼間干擾或一些周期性干擾引起，而隨機(jī)抖動(dòng)很大一部分來(lái)源于信號(hào)上的噪聲。下圖反映的是一個(gè)帶噪聲的數(shù)字信號(hào)及其判決閾值。一般我們把數(shù)字信號(hào)超過(guò)閾值的狀態(tài)判決為“1”，把低于閾值的狀態(tài)判決為“0”，由于信號(hào)的上升沿不是無(wú)限陡的，所以垂直的幅度噪聲就會(huì)造成信號(hào)過(guò)閾值點(diǎn)時(shí)刻的左右變化，這就是由于噪聲造成信號(hào)抖動(dòng)的原因。

圖10.幅度噪聲帶來(lái)的隨機(jī)抖動(dòng)

要進(jìn)行信號(hào)抖動(dòng)的分析，最常用的工具是寬帶示波器配合上響應(yīng)的抖動(dòng)分析軟件。示波器里的抖動(dòng)分析軟件可以方便地對(duì)抖動(dòng)的大小和各種成分進(jìn)行分解，但是示波器由于噪聲和測(cè)量方法的限制，很難對(duì)亞ps級(jí)的抖動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)量?，F(xiàn)在很多高速芯片對(duì)時(shí)鐘的抖動(dòng)要求都在1ps以下甚至更低。這就需要借助于其它的測(cè)量方法比如相位噪聲（phase noise）的測(cè)量方法。

我們知道抖動(dòng)是時(shí)間上的偏差，它也可以理解成時(shí)鐘相位的變化，這就是相位噪聲。對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)，我們觀察其基波的頻譜分布。理想的時(shí)鐘信號(hào)其基波的頻譜應(yīng)該是一根很窄的譜線，但實(shí)際上由于相位噪聲的存在，其譜線是比較寬的一個(gè)包絡(luò)，這個(gè)包絡(luò)越窄，說(shuō)明相位噪聲（抖動(dòng)）越小，信號(hào)越接近理想信號(hào)。下圖是一個(gè)真實(shí)時(shí)鐘信號(hào)的頻譜，信號(hào)的基波在2.5GHz，我們觀察2.5GHz附近10MHz帶寬的頻譜。我們可以看到首先信號(hào)的頻譜不是一根很窄的譜線，其譜線有展寬（隨機(jī)噪聲的影響），其次上面疊加的還有一些特定頻率的干擾（確定性抖動(dòng)的影響）。

圖11.頻譜儀上看到的時(shí)鐘載波信號(hào)附近的頻譜

為了更方便觀察低頻的干擾，在相位噪聲測(cè)量中通常會(huì)以信號(hào)的載波頻率為起點(diǎn)，把橫坐標(biāo)用對(duì)數(shù)顯示，其橫坐標(biāo)反映的是離信號(hào)載波頻率的遠(yuǎn)近，縱坐標(biāo)反映的是相應(yīng)頻點(diǎn)的能量和信號(hào)載波能量的比值。這個(gè)比值越小，說(shuō)明除了載波以外其它頻率成分的能量越小，信號(hào)越純凈。要進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲精確測(cè)量使用的儀器是信號(hào)源分析儀，信號(hào)源分析內(nèi)部有特殊的電路，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立本振的多次相關(guān)處理可以把自身本振的相位噪聲壓得非常低，從而可以進(jìn)行精確的相位噪聲測(cè)量。

圖12.信號(hào)源分析測(cè)到的時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲

對(duì)于很多晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘來(lái)說(shuō)，其抖動(dòng)中的主要成分是隨機(jī)抖動(dòng)。如果我們把相位噪聲測(cè)試結(jié)果里不同頻率成分的相位噪聲能量進(jìn)行積分的話，我們就能夠得到隨機(jī)抖動(dòng)。通過(guò)信號(hào)源分析儀對(duì)相位噪聲測(cè)量然后對(duì)一定帶寬內(nèi)的能量進(jìn)行積分，我們就可以得到精確的隨機(jī)抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果。信號(hào)源分析儀能測(cè)量到的最小抖動(dòng)可以到fs級(jí)。

六、總結(jié)

綜上論述可見(jiàn)，做為一個(gè)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)或測(cè)試的工程師，僅僅借助于傳統(tǒng)的時(shí)域方法去對(duì)信號(hào)和傳輸通道進(jìn)行研究面臨很多制約。但如果掌握一些射頻微波的知識(shí)，數(shù)字工程師就可以借助于頻譜儀分析信號(hào)頻譜從而了解信號(hào)的頻率分布及對(duì)帶寬的要求；可以借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析傳輸通道的S參數(shù)從而了解通道的阻抗變化、對(duì)不同頻率的反射和損耗情況以及預(yù)測(cè)對(duì)信號(hào)的影響；可以了解預(yù)加重、均衡等技術(shù)對(duì)高頻損耗的補(bǔ)償效果；可以借助信號(hào)源分析儀進(jìn)行更精確的時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量。這些射頻微波領(lǐng)域成熟的分析方法和測(cè)量手段可以為數(shù)字工程更深刻了解其高速信號(hào)提供更多有用信息，進(jìn)一步拓展了數(shù)字工程師對(duì)高速信號(hào)的分析能力。