信號完整性分析基礎系列之二十二—— 自定義二階PLL

本文介紹了自定義二階PLL，說明了它如何正確應用于串行數(shù)據(jù)測量中以提高眼圖和抖動測量精度。

抖動定義的是邊沿的時序不確定性。為了確定串行數(shù)據(jù)信號邊沿的時序不確定性，邊沿需要和一個參考的時鐘邊沿進行比較。
對于大多數(shù)高速串行數(shù)據(jù)標準，參考時鐘是內嵌在串行數(shù)據(jù)信號里的，在測試時需要從被測信號中恢復該時鐘。恢復時鐘的方法將直接影響到測量眼圖的形狀和抖動值大小。

當前一些串行數(shù)據(jù)標準不僅定義了測量抖動的標準方法，而且也定義了時鐘恢復的標準方法。

低頻信號邊沿的變化可以通過PLL來進行跟蹤，最終并沒有反應在測量出的抖動上，因為它們被PLL有效地去除掉了。反之，那些沒有被PLL去除的低頻信號邊沿變化就會被測量為抖動。因此，時鐘恢復方法的選擇影響的既是PLL的跟蹤能力，也影響到最終測量到的抖動值。

抖動測量系統(tǒng)中靈活的時鐘恢復不僅幫助支持規(guī)范標準定義的測量需要，而且可以作為一種強大的分析工具，使得您可以預測出真正的接收機的性能。

PLL如何適應信號變化

為了補償串行數(shù)據(jù)流中緩慢的時序的變化，軟件時鐘恢復方法可以產生參考邊沿位置，并且它會根據(jù)低頻的波形漂移相應地進行緩慢地調整，同時可測量出高速抖動。如圖1所示，利用定義好的截止頻率，根據(jù)參考邊沿時序變化速率的增大或減小來跟蹤信號速率的緩慢變化。軟件PLL帶寬以下的邊沿時序頻率成分被追蹤，而高頻抖動部分通過了軟件濾波器，用以測量出高頻抖動值。

圖1 參考始終邊沿的緩慢變化來跟蹤信號的緩慢變化

下面圖2表示的是一個單極點PLL，它可以跟蹤低頻調制，而高頻的調制并沒有被跟蹤，被作為抖動測量出來。單極點的低通濾波器的滾降曲線是逐漸變化的過程，使得在交叉區(qū)域有一個比較大的頻率范圍，這部分的頻率既是被跟蹤也被測量為抖動。

圖2 單極點的PLL和JTF

二階PLL的應用

相應地，單極點PLL的緩慢的滾降速率帶來了抖動傳遞函數(shù)（jitter Transfer Function,JTF）的限制。為了確保高頻抖動在低頻端被截止,同時最大程度地通過抖動傳遞函數(shù)JTF，則需要更高階的PLL。

在一些高速串行數(shù)據(jù)的標準，如PCI Express,Serial SATA和SAS中，需要通過擴頻時鐘（SSC）技術來減少EMI發(fā)射干擾。SSC調制的頻率是在低頻范圍內，大約30-33KHz。圖3表示的是在有SSC時，沒有采用二階PLL測量的眼圖。該眼圖波形被SSC調制后，基本的抖動和眼圖測量都不正確。采用一個2階PLL，如圖4所示，用戶可以輸入自然頻率和阻尼系數(shù)來減少交叉區(qū)域的大小，最大程度地阻止頻帶內的衰減。

圖3 有SSC時，用一階PLL測量到的眼圖

圖4 自定義二階PLL的設置界面

圖5 有SSS有，采用二階PLL測量的眼圖

圖5表示相同的信號，但是采用了二階PLL，將自然頻率設置為1MHz，阻尼系數(shù)設置為0.707時的眼圖。二階PLL使得低頻截止得很快，同時有更好的傳遞函數(shù)，有能力跟蹤PLL帶寬范圍內的線性相位和頻率變化。

結論

參考時鐘恢復函數(shù)是抖動測量的基本部分，該函數(shù)的特性影響到追蹤的能力和測量到的抖動值大小。PLL的跟蹤能力對于有SSC時準確測量眼圖和抖動是很重要的，而且抖動傳遞函數(shù)的高通截止頻率控制了測量的抖動值。從這個方面來說，抖動測量系統(tǒng)可以用于仿真串行數(shù)據(jù)接收機的工作，因此，真正的接收機的性能可以準確地進行預測評估。