在高資料速率下還有可能測量ISI嗎?

作者 : Mike Schnecker、Mathias Hellwig,R&S業務開發經理、資深應用工程師

在高資料速率下測量符碼間干擾(ISI)是不可能的。原因在於,ISI依賴通道脈衝回應(如電纜、背板和互連),而這就像一個「糟糕的低通濾波器」。

在2012年的一篇EDN文章中,Ransom Stephens曾解釋了在高資料速率下測量符碼間干擾(ISI,又稱符號間干擾、碼際干擾)是不可能的。原因在於,ISI依賴通道脈衝回應(如電纜、背板和互連),他認為這就像一個「糟糕的低通濾波器」。這一結論是基於無法擷取和測量75位元的所有組合,因此將導致最壞的ISI。

不過,此一時彼一時,羅德史瓦茲(R&S)開發出一種新的測量技術,該公司借鑒常用於測量無線調變的方法。該技術使用訊號模型來測量抖動,而不是使用時間間隔誤差(TIE)測量整合的常規統計建模法。

採用抖動軟體

目前可用的抖動測量軟體均提供一系列詳細的分析,其關鍵測量之一就是ISI的數量。串列資料訊號傳輸二進位「1」作為高電平、「0」作為低電平,而從一個電平轉換到下一個電平所需的時間長度是先前訊號電平和通道(如電纜和背板)的函數。例如,在訊號處於高電平幾個位元後從高電平到低電平的轉換(111110模式),將不同於訊號改變電平幾個位元後發生的轉換(101010模式)。事實證明,ISI是導致總抖動的一個重要因素,尤其是在高位元速率下。

為了將ISI與其他形式的抖動分開,必須有一種方法將其隔離。為此,可以在多次重複(通常為10次或更多)中檢查重復資料模式中的每次轉換,並計算每次轉換的平均時間來測量ISI。這種方法平均了其他形式的抖動。如圖1所示,每次轉換對應長條圖的平均值是根據恢復時脈測量,並提供每個邊緣的ISI。

圖1:DDj測量採用了在重複資料模式上取轉換相關長條圖平均值的TIE測量法。(來源:R&S)

ISI測量的數量由模式中的訊號轉換數量決定。例如,PRBS7碼型在127位元的碼長中包含63次唯一訊號轉換,因此將有63個ISI值。最小和最大ISI值之間的差異即為ISI抖動,這是所有市面抖動軟體所採用的方法。

但這種方法也有一些缺陷。首先,我們不可能知道是否所有其他形式的抖動都被平均掉了。此外,也不清楚資料模式的確切長度,以及怎樣的模式才能確保最準確地測量ISI。

最明顯的缺點也許是,對於給定模式,連續「1」或「0」的最長碼流通常相對較短,這也是Stephens指出的缺點。長度為2(n-1)的PRBSn模式最長碼流為n-1個位元。PRBS7模式(127位元長)的最長碼流為6,而PRBS31模式(2Gb長)的最長碼流為31。由於必須採集大量的波形採樣點,測量的實際極限是PRBS21 (2.097Mb長),其最長碼流為20。

碼流短會導致ISI問題,尤其是在較高位元速率下。碼流長度限制了可以測量的通道長度,因為在高頻即高位元速率下,通道要比位元間隔或UI長很多。假設有一個具有62.5皮秒(ps) UI的16Gbps訊號,一條10公分的走線可能包含超過100位元;因此,要測量其效果就需要100位元的碼流。

直接測量脈衝回應

在測量抖動的新方法中,並不是測量每次訊號轉換的一組時間間隔,然後再分析它們;而是將示波器採集的測量波形與採集的資料訊號的理想波形進行比較。這個想法是從測量調變射頻載波誤差向量幅度(EVM)的常用測量技術中借鑒而來,該方法的一個主要益處是模型包含訊號的階躍回應,而正是這個階躍回應生成了所有的ISI。

用具有短和長階躍響應的基於訊號模型的抖動測量來說明階躍回應長度的重要性。圖2顯示了對攜帶PRBS31碼型的16Gbps串列資料訊號的測量,圖中還顯示了抖動測量結果,以及合成眼圖和建模階躍回應,合成眼圖是透過階躍回應過濾理想資料碼型計算得出。

圖2:對一個採用20 UI階躍回應的16Gbps訊號進行抖動分析。(來源:R&S)

階躍回應長度為20 UI (1.25ns),測得的ISI為9.2ps。以75 UI的階躍回應長度重複測量,ISI測得值為13.5ps (圖3)。較長的階躍回應暴露出距階躍上升緣1.08ns處的波紋,這會導致額外4.3ps的ISI。

圖3:對採用75 UI階躍回應的16Gbps訊號進行抖動分析。(來源:R&S)

將頻率響應(幅度和相位)與測試通道上的向量網路分析儀(VNA)測量進行比較,實驗結果顯示,從該抖動測量得出的脈衝回應是準確的。該實驗在「Signal integrity analysis for high speed datacom interfaces」一文中進行了描述,比較結果如圖4所示。

圖4:VNA (藍色跡線)與建模階躍回應(橙色跡線)的頻率回應測量比較。(來源:R&S)

通常是串列資料系統中的限制因素,因此即使對非常長的訊號模式,能夠快速準確地測量它也是訊號完整性分析的巨大進步。採用適合測量波形的訊號模型來計算通道的階躍回應,無需具有超深儲存和處理能力的示波器或TIE分析儀,從而提供了一種測量ISI的準確方法。

(參考原文:Is it possible to measure ISI at high data rates?,by Mike Schnecker、Mathias Hellwig)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年8月號

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論