四、信號處理技術(shù)

既然傳輸通道的ISI的影響可以通過事先對傳輸通道的特性進(jìn)行精確測量而預(yù)測出來，那么就有可能對其進(jìn)行修正。發(fā)送端的預(yù)加重和接收端的均衡電路就是兩種最常見的對通道傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。傳輸通道最明顯的影響是其低通的特性，即會對高頻信號進(jìn)行比較大的衰減。對于一個方波信號來說，其高次諧波對于信號形狀的影響很大，如果所有高次諧波全部被衰減掉了，方波看起來就象個正弦波了。

預(yù)加重（Pre-emphasis）是一種在發(fā)送端事先對發(fā)送信號的高頻分量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。這種方法是增大信號跳變邊沿后第一個bit（跳變bit）的幅度（預(yù)加重）。比如對于一個00111的序列來說，做完預(yù)加重后序列里第一個1的幅度會比第二個和第三個1的幅度大。由于跳變bit代表了信號里的高頻分量，所以這種方法有助于提高發(fā)送信號里的高頻分量。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時，有時并不是增加跳變bit的幅度，而是相應(yīng)減小非跳變bit的幅度，這種方法有時又叫去加重（De-emphasis）。

圖7.預(yù)加重對信號的影響

當(dāng)信號速率進(jìn)一步提高或者傳輸距離較長時，僅僅使用發(fā)送端的預(yù)加重技術(shù)已不能充分補(bǔ)償傳輸通道帶來的損耗，這時就需要在接收端同時使用均衡技術(shù)來提高信號質(zhì)量以保證正確的0/1判決。常見的信號均衡技術(shù)有3種：CTLE（continuous timelinear equalizer )，F(xiàn)FE（feed forwardequalization）和DFE（decision feedbackequalizer）。

CTLE是在接收端提供一個帶通濾波器，這個帶通濾波器可以對信號里的主要高頻分量進(jìn)行放大，這點(diǎn)和發(fā)送端的預(yù)加重技術(shù)帶來的效果是類似的。FFE則是根據(jù)相鄰bit的電壓幅度的加權(quán)值來進(jìn)行幅度的修正，每個相鄰bit的加權(quán)系數(shù)直接和通道的沖擊響應(yīng)有關(guān)。CTLE和FFE都是線性均衡技術(shù)，而DFE則是非線性均衡技術(shù)。DFE技術(shù)是通過相鄰bit的判決電平對當(dāng)前bit的判決閾值進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)合理的DFE可以有效補(bǔ)償ISI對信號造成的影響。但是DFE正確工作的前提是相鄰bit的0/1電平是判決正確的，所以對于信號的信噪比有一定要求。一般情況下是先用CTLE或FFE來把信號眼圖打開，然后再用DFE進(jìn)一步優(yōu)化。

圖8.均衡對信號眼圖的改善

五、信號抖動分析

抖動（Jitter）反映的是數(shù)字信號偏離其理想位置的時間偏差。高頻數(shù)字信號的bit周期都非常短，一般在幾百ps甚至幾十ps，很小的抖動都會造成信號采樣位置電平的變化，所以高頻數(shù)字信號對于抖動都有嚴(yán)格的要求。

圖9.抖動的定義

實(shí)際信號的很復(fù)雜，可能既有隨機(jī)抖動成分（RJ），也有不同頻率的確定性抖動成分（DJ）。確定性抖動可能由于碼間干擾或一些周期性干擾引起，而隨機(jī)抖動很大一部分來源于信號上的噪聲。下圖反映的是一個帶噪聲的數(shù)字信號及其判決閾值。一般我們把數(shù)字信號超過閾值的狀態(tài)判決為“1”，把低于閾值的狀態(tài)判決為“0”，由于信號的上升沿不是無限陡的，所以垂直的幅度噪聲就會造成信號過閾值點(diǎn)時刻的左右變化，這就是由于噪聲造成信號抖動的原因。

圖10.幅度噪聲帶來的隨機(jī)抖動

要進(jìn)行信號抖動的分析，最常用的工具是寬帶示波器配合上響應(yīng)的抖動分析軟件。示波器里的抖動分析軟件可以方便地對抖動的大小和各種成分進(jìn)行分解，但是示波器由于噪聲和測量方法的限制，很難對亞ps級的抖動進(jìn)行精確測量。現(xiàn)在很多高速芯片對時鐘的抖動要求都在1ps以下甚至更低。這就需要借助于其它的測量方法比如相位噪聲（phase noise）的測量方法。

我們知道抖動是時間上的偏差，它也可以理解成時鐘相位的變化，這就是相位噪聲。對于時鐘信號，我們觀察其基波的頻譜分布。理想的時鐘信號其基波的頻譜應(yīng)該是一根很窄的譜線，但實(shí)際上由于相位噪聲的存在，其譜線是比較寬的一個包絡(luò)，這個包絡(luò)越窄，說明相位噪聲（抖動）越小，信號越接近理想信號。下圖是一個真實(shí)時鐘信號的頻譜，信號的基波在2.5GHz，我們觀察2.5GHz附近10MHz帶寬的頻譜。我們可以看到首先信號的頻譜不是一根很窄的譜線，其譜線有展寬（隨機(jī)噪聲的影響），其次上面疊加的還有一些特定頻率的干擾（確定性抖動的影響）。

圖11.頻譜儀上看到的時鐘載波信號附近的頻譜

為了更方便觀察低頻的干擾，在相位噪聲測量中通常會以信號的載波頻率為起點(diǎn)，把橫坐標(biāo)用對數(shù)顯示，其橫坐標(biāo)反映的是離信號載波頻率的遠(yuǎn)近，縱坐標(biāo)反映的是相應(yīng)頻點(diǎn)的能量和信號載波能量的比值。這個比值越小，說明除了載波以外其它頻率成分的能量越小，信號越純凈。要進(jìn)行時鐘信號的相位噪聲精確測量使用的儀器是信號源分析儀，信號源分析內(nèi)部有特殊的電路，通過兩個獨(dú)立本振的多次相關(guān)處理可以把自身本振的相位噪聲壓得非常低，從而可以進(jìn)行精確的相位噪聲測量。

圖12.信號源分析測到的時鐘信號的相位噪聲

對于很多晶振產(chǎn)生的時鐘來說，其抖動中的主要成分是隨機(jī)抖動。如果我們把相位噪聲測試結(jié)果里不同頻率成分的相位噪聲能量進(jìn)行積分的話，我們就能夠得到隨機(jī)抖動。通過信號源分析儀對相位噪聲測量然后對一定帶寬內(nèi)的能量進(jìn)行積分，我們就可以得到精確的隨機(jī)抖動測量結(jié)果。信號源分析儀能測量到的最小抖動可以到fs級。

六、總結(jié)

綜上論述可見，做為一個高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)或測試的工程師，僅僅借助于傳統(tǒng)的時域方法去對信號和傳輸通道進(jìn)行研究面臨很多制約。但如果掌握一些射頻微波的知識，數(shù)字工程師就可以借助于頻譜儀分析信號頻譜從而了解信號的頻率分布及對帶寬的要求；可以借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析傳輸通道的S參數(shù)從而了解通道的阻抗變化、對不同頻率的反射和損耗情況以及預(yù)測對信號的影響；可以了解預(yù)加重、均衡等技術(shù)對高頻損耗的補(bǔ)償效果；可以借助信號源分析儀進(jìn)行更精確的時鐘抖動測量。這些射頻微波領(lǐng)域成熟的分析方法和測量手段可以為數(shù)字工程更深刻了解其高速信號提供更多有用信息，進(jìn)一步拓展了數(shù)字工程師對高速信號的分析能力。