消除高速串行链路的时钟抖动

随着新一代串行数据标准成功地从快速过渡到超高速，设计人员需要花费大量时间考虑这些高速信号的模拟设计，只是简单关注1、0数字域信号远远不能满足实际要求。为了找到潜在的问题并加以解决，从而避免现场应用出现这些问题，设计人员必须检查实际设计参数。信号完整性(SI)工程师必须降低或消除时钟抖动对系统性能的影响。本文讨论了针对典型速率为1Gbps或更高速率的高速串行数据链路的简单、实用方法。
  　　高速串行链路的特性取决于SI工程师发现问题、理解问题以及解决抖动问题的能力。在本文讨论中，我们假设PHY(物理层)和SerDes(串行器-解串器)器件的时钟和数据恢复(CDR)电路与兼容于设备的应用标准。在串行通信系统中，CDR从数据流中恢复时钟信号。所以，关键的操作是从串行数据流中提取数据，并将其与数据发送器时钟同步。发送器总会在一定程度上造成恢复时钟的抖动，我们假设这种影响极小。为简单起见，假设恢复时钟的任何明显抖动都将耦合到电缆链路(作为EMI)或PCB(作为串扰)。
  　　“抖动传输”、“抖动容差”和“所产生的抖动”是重要的测量指标，而它们对PHY和SerDes的影响要比对系统通道的测试影响更大。假设设计中使用的器件满足设备级测试要求。由此，我们将主要考虑整体系统，寻求一种方法在接收器端可靠采集串行数据，我们将考虑系统通道的特性，而非器件的特性。这样一个通道(图1)包括发送器PHY、FR4(PCB材料)、连接器、屏蔽电缆、连接器、FR4和接收器PHY。
  　　嵌入式电信卡(一块混合信号电路板)用于采集本文涉及的测量数据，该电路是“无线通信单元”的一部分。无线通信单元通过通用的公共无线接口(CPRI)连接到基站，CPRI是基站与无线通信单元之间进行数据传输的新标准。CPRI的一个物理层包括无线数据(IQ数据)及管理、控制和同步信息。对于本文介绍的应用，CPRI通信工作在速率为1.2288Gbps串行链路。然后对该串行链路进行特性分析和测量，阐明本文采用的抖动测试。
  　　抖动因素
  　　为了达到高速串行通信接口的性能要求，关键问题是理解抖动指标、找到引起抖动的原因并消除它的影响。虽然本文的主题不是抖动，但是，在串行通信链路讨论中难免会提及抖动问题。所以，这一章节的讨论适用于那些对抖动不太熟悉的读者。
  　　抖动定义为信号沿偏离其理想位置的变化，用时间表示。重要的是，抖动指的是数字信号边沿与其理想位置在时间上没有对准(图2)。抖动也可以看作是数字信号不希望出现的相位调制。SI工程师在开始设计时就必须理解一个基本前提：满足串行链路数据率而不满足其抖动指标要求的接收器无法保证系统的可靠工作。因此，抖动特性对于确保系统的误码率(BER)处于可接受的水平至关重要。抖动会影响到定时裕量和同步，同时还会造成其它许多问题。
  　　作为输出跳变时偏离其理想位置的误差，抖动是衡量串行链路时钟和数据信号非常重要的参数指标。抖动增大会造成数据误码。值得注意的是，对硬件系统进行任何时域测量也只能达到用于数据采集的采样信号的水平。目前的串行通信系统选择在数据流中嵌入时钟信息，而不是采用外部信号触发接收器。因此，必须从接收到的比特流本身恢复时钟。该功能就是所谓的CDR，请参考典型的SerDes接收器框图(图3)。然而，输入信号还不仅仅存在确定性抖动或相位噪声，恢复时钟不能保持与数据准确对准。偏差会造成个体数据点在时间上偏差不确定。
  　　为尽可能减小BER，必须对数据流的相位偏差进行适当的时间修正，正是因为这个原因，串行通信标准都把准确测量抖动指标作为一个重点。抖动通常可以划分为确定性抖动(DJ)和随机抖动(RJ)。由于导致每种类型抖动的方式不同，需要分别表示。