串行數據約束條件確定示波器存儲深度的探討

 

多數高帶寬、實時示波器配有軟件，以便為串行數據分析恢復嵌入式時鐘。不過，你究竟需要多大的內存呢？

　　你進行串行數據分析時所需的實時示波器內存大小取決于你想完成的作業(yè)。檢查幾項常見的驗證與故障排除任務有助于確定你需要多大內存。
　　典型的時鐘恢復軟件包都含有一個選項，以便軟件仿真一個具有可變頻率響應的鎖相環(huán)（ PLL）。當你選擇該選項時，算法就要求若干個周期跟蹤時鐘。該鎖定范圍中的數據無法用于測量，你在規(guī)劃存儲要求時，必須考慮到這一點。所需的內存大小取決于幾個因素－－主要是時鐘頻率和環(huán)路帶寬。
　　你可以從三項常見作業(yè)的角度評估內存問題，這三項作業(yè)是：檢查低頻抖動事件（即偶然發(fā)生的抖動或噪聲事件）、檢查 PRBS（偽隨機二進制序列）中的所有比特序列組合，以及實現滿足某個給定誤碼率所要求的置信度。
　　低頻或偶然抖動
　　如果你想測量來自低頻調制的串行數據信號的抖動，那么你就已經確定了對存儲深度的需求。例如，假如你用一個具有 20G 采樣/秒(S/s)的采樣率和 1M采 樣內存的示波器捕獲一個 2.5Gbps 信號，那么你就能捕捉到50 微秒實耗時間，從而你能看到一個頻率為 20kHz的抖動周期。
　　測量低頻抖動通常并不是串行數據分析的一項要求，因為大多數串行數據接收器中的時鐘恢復 PLL 都能有效地抑制在適度低頻率的抖動。不過，一個以低重復率發(fā)生的事件有時會導致突發(fā)抖動或噪聲，而這類抖動或噪聲包含較高的頻率，PLL 無法加以抑制。因此，你需要對此類事件做規(guī)劃。圖 1 示出了這類信號串擾的一個實例。黃色跡線是串行數據信號。綠色跡線是來自系統其它地方的不相關侵擾信號，它導致數據信號的短期突發(fā)抖動。紫色跡線是抖動趨勢信號，來源于串行數據信號。與“理想的”已恢復時鐘相比，該抖動趨勢只是數據流中每一個邊緣的定時的一條時間曲線。你可以看到突發(fā)定時錯誤是與綠色侵擾信號的每次躍變一致的。

圖1，某一個信號（綠色）的耦合會導致另一個信號（黃色）的抖動。紫色跡線是由串行數據信號導出的抖動趨勢信號。


　　如果信號的數據速率合適，你就能夠利用一個較低的采樣率來延長在每個觸發(fā)脈沖上被捕獲的時間。例如，在數據速率為1Gbps時，你能夠充分地捕獲采樣率為10Gbps的信號的所有頻率成分。在這種情況下，存儲量為1M采 樣的可以捕獲 100 微秒寬的數據，從而你就能看到頻率為 10 kHz的一個完整抖動周期。




　　表 1 列出了采樣率為 20G S/s的示波器能夠捕獲的最低抖動頻率，即突發(fā)脈沖發(fā)生率，是存儲深度的函數。要注意的是，即使是目前市場上存儲深度最深的示波器，在以 20G S/s的采樣率采樣時，也捕獲不到低達 60Hz 甚或 120Hz 的抖動頻率。如果你懷疑電源中有什么部件正在電源線交叉處發(fā)出突發(fā)抖動或噪聲，則一種有用的故障排除技術就是在電源線上進行觸發(fā)，然后查看在抖動趨勢波形上是否有穩(wěn)定的突發(fā)脈沖。
　　多數開關式電源的工作頻率高于 20kHz，因此采樣率為 20G S/s的示波器中的 1M 采樣內存通常足以捕獲到與開關式電源相關的問題。
　　檢查 PRBS 中的所有組合
　　在測試系統中使用 PRBS 作為激勵信號有一個優(yōu)點，就是它包含了所有可能的 由很多1 和 0 組成的序列，僅受限于 PRBS 的長度。一個 2N-1 PRBS 序列包含一個由 N-1 個 0及其后面 N 個1組成的序列以及由　　你應該使用的 PRBS 模式的長度取決于你正在設計的串行總線。你選擇的PRBS中由連續(xù)的0或1組成的最長連序列應該與你正在設計的串行總線中由連續(xù)的 0 或 1 組成的最長連序列匹配。例如，如果你的總線使用 8b/10b 編碼，那你只需要使用一個 25-1 PRBS 來測試。
　　為了查看所有組合的影響，你應該捕獲整個 PRBS。如果你分析的一次采集比整個 PRBS 短，那你就會捕獲不到某些組合。只要重復運行，你仍然會有很好的機會在不確定的時間之后看到序列的所有部分，這是因為示波器將很可能在 PRBS 內的各個點隨機反復觸發(fā)。不過，在每個觸發(fā)脈沖或一個觸發(fā)脈沖上捕獲整個 PRBS，都會使你 100% 放心。




　　表 2 列出了比特率為2.5Gbps和示波器采樣率為20G S/s時捕獲整個 PRBS 序列所需的存儲量。對于其它組合，計算所需內存的數學運算都是很簡單的。要注意的是，即使是目前市場上內存最深的示波器，也無法在一次采集中捕獲一個完整的 232-1 PRBS 序列。27-1 序列和 211-1 序列是常見的模式，這兩種模式都很容易存入 256k采 樣內存。216-1 序列可存入 1M采 樣內存，還有剩余空間。如果是 表 2 未列出的序列，或者是其它采樣率和數據速率，那你可以利用捕獲的周期數量=[（存儲深度）＊（數據速率）]/（示波器采樣率），再按要求的誤碼率推算，就可很方便地計算出所需的內存。
　　在你能確信自己的系統將滿足給定誤碼率之前，你需要多長時間來讓示波器掩碼或抖動測試運行呢？從統計角度而言，你可以把這個問題描述如下：在誤碼率比如 說為10-12時，你可能在你檢查的最初幾個比特中看到大量錯誤；另一方面，你也可能在 1016 或任意大數量的連續(xù)比特中看不到錯誤。
　　你可能要等待很長時間來確定已測的誤碼率，但這可能沒有花費很長時間，尤其是當你從來沒看到任何差錯時。假定你沒有發(fā)現任何差錯違背情況，那你就可以計算置信區(qū)間，以便根據較少的數據預計給定誤碼率。例如，對于給定的 BER（誤碼率），表 3 說明你必須觀察多少無錯誤比特才能達到表中的置信度。