重建長距離傳輸退化信號的完整性

理想情況下，當(dāng)在航空公司柜臺托運包裹時，我們從行李提取處拿到的包裹應(yīng)該和托運時毫無二致。但不幸的是，事實上很少有這種情況。與之類似，理想情況下，當(dāng)向電纜、PCB走線或連接器發(fā)出信號時，重新獲得的接收信號應(yīng)該和發(fā)送時完全一樣，但事實上也很少有這種情況。值得欣慰的是，對電子信號來講，我們有能力將信號恢復(fù)成與原始信號一樣，甚至某些情況下更好。比如托運一包臟衣服，當(dāng)我們領(lǐng)取時它變成了干凈且經(jīng)過熨燙的衣服。對電子信號來講，我們事先已經(jīng)知道該信號將是什么形狀，然后可以利用這一點――對于大多數(shù)數(shù)字信號，我們知道幅度、上升/下降時間和時鐘頻率。因此，為了獲得較好的接收信號，所要做的就是把這種模板施加到信號上，并對信號進(jìn)行清理。我們將在本文中探索信號在電纜或PCB走線中退化的方式，以及如何對這些退化信號進(jìn)行重建。

在整篇文章中，我將把用于單電纜傳輸高清晰、未壓縮視頻數(shù)據(jù)的信號作為例子。規(guī)定該信號的標(biāo)準(zhǔn)是SMPTE （電影與電視工程師學(xué)會）292M――簡單來講它描述了一個具有800mV p-p電平并通過75W同軸電纜以大約1.5Gbps速率傳輸?shù)男盘?。盡管大多數(shù)圖像和實例都基于這

對互連信號的影響

當(dāng)AC電流流過導(dǎo)體時，它傾向于在導(dǎo)體的表面（表層）流動。這就是我們所熟知的趨膚效應(yīng)。更精確來講，趨膚深度δ為

其中δ是趨膚深度，表示當(dāng)場強衰減了一個 e 因子時的導(dǎo)體深度，σ是該導(dǎo)體的傳導(dǎo)率，ω是AC場的變化頻率，μ0是自由空間的磁導(dǎo)率。趨膚效應(yīng)意味著信號的頻率越高，電纜的有效截面越小。

所帶來的影響是，當(dāng)信號通過電纜或者PCB走線時，將被濾波成一個低通響應(yīng)。該響應(yīng)的形狀都是一樣的：衰減與√f成正比。隨著電纜（或PCB走線）的長度增加或減少，衰減的幅度也會發(fā)生變化，但是基本形狀保持不變。廠商（比如國家半導(dǎo)體）提供的有源均衡器可以自動調(diào)整均衡器的增益，從而使均衡器的輸出與原始信號一致。通用視頻電纜的插入損耗如圖1所示――實際的損耗與電纜長度成正比，因此，對于200米的電纜來講，可以把該曲線提供的損耗加倍。

圖 1 100米同軸電纜的插入損耗

在傳輸介質(zhì)已知且固定的系統(tǒng)中――例如底板環(huán)境，可以使用固定均衡器和/或預(yù)加重的結(jié)合方案。DS15BR400是一種采用該方案的產(chǎn)品，它提供了預(yù)加重和均衡器，兩者都具有固定的數(shù)量（由用戶設(shè)定），從而與相應(yīng)的傳輸環(huán)境進(jìn)行匹配。

采用預(yù)加重來擴展驅(qū)動器的到達(dá)范圍

當(dāng)采用預(yù)加重時，傳輸緩沖器發(fā)送給傳輸線的信號首先進(jìn)行預(yù)失真，從而加速高頻元件，因此當(dāng)信號被底板衰減時，最終得到的結(jié)果好像沒有經(jīng)過底板的任何衰減。還是以托運行李為例，這類似于在托運之前對手提箱進(jìn)行泡沫包裝－－大家知道航空公司會把這些泡沫包裝切碎，當(dāng)領(lǐng)取行李不會看到這些包裝，但是通過這樣做，托運過程中手提箱受損的可能性大大降低。

圖2 預(yù)加重對底板連接的作用。

均衡使信號傳輸?shù)酶h(yuǎn)

預(yù)加重有其局限。工藝的進(jìn)步導(dǎo)致采用更小的電源電壓，預(yù)加重的數(shù)量受到電源電壓與信號擺幅比值的限制。還有另一種把信號從源傳輸?shù)浇邮斩说姆绞?，即利用均衡器在接收端對信號進(jìn)行重建。均衡器采用一個高通濾波器（與底板傳輸函數(shù)相反），這種方式可以恢復(fù)具有很小眼圖張開度的信號，甚至在衰減大于VDD/Vsignal 比值的情況下也可以使用。實現(xiàn)這種功能的一個例子是DS20BR100，圖3中就是以該器件為范例。

圖3 配備和未配備均衡器的底板接收器

對于很多系統(tǒng)來講，信號傳輸介質(zhì)并非底板，而是電纜，而且電纜的長度是未知的。這種情況下，預(yù)加重將無法工作，此時重建信號的唯一方法就是利用那些能夠動態(tài)調(diào)整增益的均衡器。這可以通過自適應(yīng)電纜均衡器（例如國家半導(dǎo)體的LMH0044）完成。該部件具有編程√f 頻率響應(yīng)輸入，可以通過反饋環(huán)對調(diào)整的增益進(jìn)行控制，從而使其能夠自動調(diào)整增益，因此在1.5Gbps輸入信號的條件下，該均衡器可以對0到200米范圍內(nèi)的任何電纜長度進(jìn)行均衡。電纜傳輸之前、電纜傳輸之后以及均衡后得到的信號分別如圖4、圖5和圖6所示。 

圖4 電纜驅(qū)動器發(fā)出的1.5Gbps的信號 

圖5 經(jīng)過200米同軸電纜傳輸后得到的1.5Gbps的信號(Belden 1694A) 

圖6 經(jīng)過200米電纜傳輸，然后通過LMH0044自適應(yīng)電纜均衡器進(jìn)行自動均衡得到的1.5Gbps的信號

如果將圖4中的波形與圖5中的波形進(jìn)行比較，你將發(fā)現(xiàn)盡管圖4中的眼圖張開度已經(jīng)很大，但圖5中的信號還是具有更多抖動。如果這樣的信號再經(jīng)過電纜傳輸，然后再被均衡，抖動將會加劇，最終信號的完整性將會丟失。

重計時使我們回歸開始階段

在重計時技術(shù)中，我們依賴這樣一個事實，即接收器“知道”初始信號的數(shù)據(jù)率，然后生成一個穩(wěn)定的具有相同頻率的本地時鐘，利用這個時鐘對均衡器輸出的信號進(jìn)行重計時――因此降低了抖動積聚。

關(guān)鍵在于使本地時鐘和發(fā)送時鐘同步，因為在發(fā)送超過1 Gbps的數(shù)據(jù)時，頻率的偏差（即使1ppm的偏差）也將迅速導(dǎo)致災(zāi)難。這里的同步將通過鎖相環(huán)（PLL）實現(xiàn)。

圖7 重新計時器的結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)首先進(jìn)入重新計時器，然后把數(shù)據(jù)跳變的相位與振蕩器時鐘的相位進(jìn)行比較。大多數(shù)PLL都具有一個恒定的時鐘作為輸入?yún)⒖夹盘枿D―相位比較器僅比較輸入信號和VCO輸出信號的相對相位。在重新計時器中，輸入信號是數(shù)據(jù)，它并沒有在每個時鐘跳變沿進(jìn)行跳變，而且輸入數(shù)據(jù)的極性也不相關(guān)（僅有跳變的位置對VCO時鐘上升沿的位置）。因此，重新計時器的相位比較器需要根據(jù)重計時函數(shù)專門進(jìn)行設(shè)計。如果輸入數(shù)據(jù)沿先于時鐘上升沿到來，相位比較器將產(chǎn)生一個正脈沖。如果輸入數(shù)據(jù)沿晚于時鐘上升沿到來，相位比較器將產(chǎn)生一個負(fù)脈沖――如果輸入數(shù)據(jù)具有噪聲，而且噪聲的帶寬大于積分器的

重新計時器的核心部件是一個壓控振蕩器(VCO)，該電路生成一個規(guī)則的時鐘，頻率可以通過控制電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了獲得高質(zhì)量的重計時輸出，VCO必須具有很低的抖動，并且易于控制――很多分立的重新計時器通過壓控晶振 (VCXO)來實現(xiàn)上述功能，但是這些元件價格昂貴，而且難于操作。在單片IC上設(shè)計出一個高質(zhì)量VCO（作為集成元件）是可能的，但是比較困難。

一旦從輸入信號中再生出一個高質(zhì)量而且規(guī)則的穩(wěn)定時鐘，最后一步就是利用該時鐘對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重計時――用再生時鐘對跳變進(jìn)行定位，從而產(chǎn)生一個低抖動信號。

重新計時器有兩個主要指標(biāo)，一個是它的抖動容限（允許輸入信號有多大的抖動），另一個是剩余抖動的大小――即到達(dá)輸出端抖動的大小。

在設(shè)計重新計時器的過程中，設(shè)計師需要在設(shè)計指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡――通過降低積分器的時間常數(shù)，并且使VCO具備更大的調(diào)諧范圍，可以維持大抖動信號的鎖定狀態(tài)，然而代價是輸出數(shù)據(jù)中將會含有較多抖動。 

圖8 LMH0046 重新計時器的輸入和輸出

小結(jié)

盡管航空旅行時行李難免會受到一定的損害，但是還是有可能把信號發(fā)送到一定距離，經(jīng)過電纜或者底板接口，然后把它恢復(fù)成高質(zhì)量的信號――甚至比以前的信號更好！答案就是利用均衡器消除傳輸介質(zhì)的低通濾波效應(yīng)，然后使用重新計時器重建信號的時序完整性。雖然均衡和重計時所支持的電纜長度有限，但是只要信號能夠被正確地接收，鏈路的數(shù)量將不受限制。

工具條：關(guān)于抖動的10個最常見問題

什么是抖動？

抖動是時域上信號跳變與其理想位置的偏移。如果對示波器上的眼圖進(jìn)行觀察，抖動使眼圖垂直部分變得粗而模糊。

如何向信號中添加抖動以便對接收器進(jìn)行測試？

最常用的方法是使用具有外部時鐘源的圖形發(fā)生器，而且該時鐘源能夠進(jìn)行相位或者頻率調(diào)制。調(diào)制源既可以是正弦波，此時可以在一定范圍內(nèi)掃描抖動頻率；也可以是白噪聲，以接近隨機抖動；或者是方波以模仿確定抖動。

什么是抖動容限？

抖動容限是指在系統(tǒng)可以承受并且能夠無差錯地重建輸入信號的情況下，所允許的輸入抖動量。有時它被指定為頻率的函數(shù)，通常這些指標(biāo)或者要求被劃分成不同的頻率區(qū)域――例如，系統(tǒng)可能要求在抖動頻率為10KHz的情況下，允許2UI的抖動量，但是當(dāng)抖動頻率超過1MHz時，系統(tǒng)可能只允許0.5UI的抖動量。

什么是抖動傳輸函數(shù)，以及為什么要對它進(jìn)行考慮？

抖動傳輸函數(shù)是指輸入抖動對輸出抖動的比值，通常表示成頻率的函數(shù)。顯然我們希望重新計時器的輸出抖動小于輸入抖動。如果存在一個頻率范圍使該比值小于1（意味著輸出抖動比輸入抖動大），那么使用該設(shè)計的級聯(lián)鏈路將會很快崩潰。

什么是剩余抖動？

剩余抖動是指電路輸出端所具有的抖動量（不管是重新計時器還是串行器，抑或其它功能模塊）。通常它被劃分成確定抖動和隨機抖動。

什么是固有抖動？

固有抖動是指當(dāng)輸入沒有抖動時設(shè)備輸出端所出現(xiàn)的抖動。這是我們對特定設(shè)備所能期望的最好情況。

什么是隨機抖動？

如果觀察抖動譜，很多時候它像白噪聲――完全隨機。如果把信號發(fā)送給一條長電纜，在到達(dá)均衡器之前信號的沿速率很慢。此時進(jìn)入系統(tǒng)的隨機噪聲將被均衡濾波器放大，然后轉(zhuǎn)化成隨機抖動。

什么是確定抖動？

還有一些不同的方式可以讓那些并非隨機的抖動進(jìn)入信號。如果與信號的上升/下降時間相比，位單元較短，那么信號的高度將會發(fā)生變化，這決定于最后的位單元中是否有跳變。這可以參見“XXX”。這時正在發(fā)送的位圖形將使眼圖開度的高度和寬度同時發(fā)生退化。

圖9 不同的波形如何進(jìn)行組合以產(chǎn)生確定抖動

確定抖動還可以通過串行器產(chǎn)生，該串行器生成一個內(nèi)部發(fā)送時鐘（并不均勻），對于一個10:1的串行器來講，第5個時鐘周期會比其它時鐘周期稍微長一點，這將產(chǎn)生一個特定節(jié)奏，看起來類似于串行器輸出端的抖動。

什么是定位抖動和定時抖動？

除了指定隨機抖動和確定抖動之外，視頻產(chǎn)業(yè)還通過電影與電視工程師學(xué)會(SMPTE) 規(guī)定了定位抖動和定時抖動。定位抖動是指相對于再生時鐘，數(shù)據(jù)跳變的偏差，而定時抖動是指相對于穩(wěn)定時鐘，再生時鐘沿的跳變偏差。請注意通過這種定義方式，定位抖動和定時抖動都依賴于用于時鐘再生的PLL的帶寬。如果想了解視頻系統(tǒng)測量抖動的更多方式，請閱讀RP192 規(guī)格說明，網(wǎng)址是 www.smpte.org。那些用來測量視頻信號抖動的視頻測試設(shè)備（比如Tektronix WFM-700

如何測量剩余抖動？

有若干種方法可以測量抖動。最常用方法是利用低抖動PLL（通常基于VCXO）從信號中再生出時鐘，然后利用該時鐘觸發(fā)示波器（接收到的信號已經(jīng)連到了它的輸入端）。示波器會顯示一個眼圖，而且給出一個交點的柱狀圖，從而得到抖動的測量結(jié)果。大多數(shù)系統(tǒng)觀察的都是RMS抖動，它也經(jīng)常是示波器所提供的測量結(jié)果。

如何測量抖動容限？

大多數(shù)系統(tǒng)都會有一個針對最大剩余抖動的指標(biāo)，盡管有些情況下只是簡單要求能夠接收到信號。為了測量抖動容限，逐漸增加系統(tǒng)的輸入抖動，直到輸出抖動超過最大指標(biāo)。很多時候該過程將在不同抖動頻率下進(jìn)行重復(fù)，從而繪制出抖動容限相對于抖動頻率的曲線。

為什么只有上述9個關(guān)于抖動的問題？

因為很少提出第10個問題。