摘 要： 基于機(jī)載航電系統(tǒng)高速串行通信的基本架構(gòu)介紹了抖動(dòng)的分類和抖動(dòng)分析常用的方法。結(jié)合實(shí)際情況對某案例進(jìn)行測試和分析，通過眼圖、直方圖和浴盆曲線分析找出抖動(dòng)的根源并給出解決方案，達(dá)到了預(yù)期的效果。本文所介紹的方法可以廣泛應(yīng)用于航電系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域的高速串行通信中的抖動(dòng)分析。
關(guān)鍵詞： 高速串行通信；抖動(dòng)分析 眼圖；信號完整性
隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越復(fù)雜的要求，新一代航空電子系統(tǒng)中開始要求大信息量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在設(shè)備間的傳輸，新一代飛機(jī)的航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力要較目前提高2~3個(gè)數(shù)量級，為了匹配數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和系統(tǒng)處理速度之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)總線的通信速率需要比三代機(jī)至少提高1 000倍，達(dá)到近千兆比特的傳輸速率。比如，美軍的四代戰(zhàn)機(jī)就采用了數(shù)據(jù)率為400 Mb/s的點(diǎn)對點(diǎn)光纖鏈路實(shí)現(xiàn)傳感器到通用綜合處理機(jī)(CIP)及CIP到座艙控制顯示系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸；RAH-66偵察攻擊直升機(jī)也使用了數(shù)據(jù)率為800 Mb/s的光纖傳感器數(shù)據(jù)分配網(wǎng)絡(luò)傳輸來自駕駛員視野系統(tǒng)、目標(biāo)搜索系統(tǒng)和毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)[1]。
以AFDX、PCIE為代表的高速串行數(shù)據(jù)總線傳輸方式越來越多地應(yīng)用在目前機(jī)載航電系統(tǒng)中。其中航空全雙工交換式以太網(wǎng)AFDX（Avionic Full Duplex Switched Ethernet）最大傳輸速率可達(dá)100 Mb/s。PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express)從2002年推出1.0 版到現(xiàn)在已經(jīng)從2.5 Gb/s的速率提升至8.0 Gb/s，目前也是廣泛地應(yīng)用于航電系統(tǒng)中大數(shù)量數(shù)據(jù)傳輸。此外在機(jī)載顯控系統(tǒng)中，以DVI、HDMI和LVDS為代表的視頻接口也得到越來越廣泛的應(yīng)用[2]，上述接口的原理都是基于數(shù)據(jù)串行編解碼和串行通信發(fā)送。
與高速并行總線相比，高速數(shù)字串行通信采用時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)，把時(shí)鐘信號嵌入到串行數(shù)據(jù)信號中，從而解決了限制數(shù)據(jù)傳輸速率的信號時(shí)鐘偏移問題，數(shù)據(jù)率可以達(dá)到10 Gb/s以上[3]。串行數(shù)據(jù)信號以如此高的速率來傳輸，帶來一系列信號完整性問題，這些問題除了信號質(zhì)量上的問題，還包括時(shí)序上的問題，這些問題在傳統(tǒng)的并行傳輸系統(tǒng)中由于低速率很少出現(xiàn)，而在基于高速串行接口的互連設(shè)計(jì)中，互連通道的信號完整性問題以及相應(yīng)的解決措施是設(shè)計(jì)者不可忽視的關(guān)鍵因素之一[3-5]。
本文基于航電系統(tǒng)高速串行通信中遇到的信號完整性問題，介紹了評估高速串行通信系統(tǒng)性能的重要手段，即抖動(dòng)分析。文章介紹了抖動(dòng)的形成原理、分類以及分析方法，針對某高速串行通信中遇到的相關(guān)問題進(jìn)行抖動(dòng)分析，并基于此給出解決方案。
1 抖動(dòng)
1.1 抖動(dòng)的定義
參考文獻(xiàn)[6]定義抖動(dòng)如下：抖動(dòng)可以定義為數(shù)字信號在重要時(shí)間點(diǎn)上偏離理想時(shí)間位置的短期變化。從圖1可以看出，在理想?yún)⒖紩r(shí)鐘的采樣下，串行數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘上升下降沿處都會(huì)有少許偏差，即抖動(dòng)。
1.2 抖動(dòng)的分類
抖動(dòng)是復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)信號，具有很多不同的分量，圖2顯示了抖動(dòng)的分類模型[4]。
由參考文獻(xiàn)[4]可知：假設(shè)所有的抖動(dòng)分量是相互獨(dú)立的，總抖動(dòng)概率密度函數(shù)PDF(Probability Density Function)是各抖動(dòng)分量PDF的卷積，公式如下所示：
圖3所示為隨機(jī)性抖動(dòng)和固定性抖動(dòng)的卷積，結(jié)果即為總抖動(dòng)。在常見的航電高速串行通信中，基本會(huì)涉及各種數(shù)量所有類型的抖動(dòng)，從而導(dǎo)致傳輸信號質(zhì)量的變差。分析抖動(dòng)的目標(biāo)之一是從總抖動(dòng)中分解識別出各個(gè)抖動(dòng)的成分，進(jìn)而分析引起抖動(dòng)的根源。
1.3 抖動(dòng)的常用分析方法
1.3.1 直方圖
直方圖是用一系列寬度相等和高度不等的長方形表示數(shù)據(jù)的圖，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是常用來表示樣本各組概率分布的一種直觀的圖表。直方圖描繪了數(shù)據(jù)或者參數(shù)值在一個(gè)確定范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率，直觀地顯示了參數(shù)的波動(dòng)情況。直方圖可以反應(yīng)出一些在眼圖中無法辨別出的抖動(dòng)特點(diǎn)，所以它在了解電路和診斷抖動(dòng)類型方面是相當(dāng)有用的。
1.3.2 浴盆曲線
浴盆曲線是另一個(gè)反映抖動(dòng)的手段，如圖4所示，之所以這樣稱呼是因?yàn)樗奶卣髑€看起來像一個(gè)浴盆。浴盆曲線的y軸是誤碼率，x軸是采樣時(shí)刻，范圍是一個(gè)單位間隔UI（Unit Interval）。
浴盆曲線顯示出的是在感興趣的誤碼率水平下的傳輸誤差范圍，浴盆曲線的兩條線是和來自直方圖的尾部高斯函數(shù)直接相關(guān)的[7]。在抖動(dòng)分析中，浴盆曲線用來分析隨機(jī)抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)，同時(shí)確定隨機(jī)抖動(dòng)的均方根值。
1.3.3 眼圖
眼圖為串行數(shù)據(jù)流的整體特征和信號質(zhì)量的最直接反映。傳統(tǒng)的并行系統(tǒng)中，測量若干個(gè)讀寫周期內(nèi)的信號質(zhì)量基本就可以確定整個(gè)信號傳輸系統(tǒng)的工作情況。而在高速串行互連中，由于信號傳送的速率高并且每個(gè)傳送周期內(nèi)的信號質(zhì)量存在一定的差異，因此需要對大量周期信號進(jìn)行取樣測量。多周期的信號在采樣時(shí)鐘時(shí)刻點(diǎn)不斷地疊加形成眼圖，從眼圖中可以對信號質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測量。高速串行通信中的抖動(dòng)體現(xiàn)在眼圖交叉點(diǎn)的變化范圍，抖動(dòng)越大，交叉重疊的部分越多，交差點(diǎn)越寬，如圖5所示。
從眼圖中還能看到信號的高低電平幅度以及由反射引起的上沖及下沖等信號完整性的因素。除了直接在眼圖中讀取眼高、眼寬等指標(biāo)來判斷信號是否合格外，還可以利用眼圖模板迅速得到判斷結(jié)果。眼圖模板定義為一個(gè)閉合區(qū)域，一旦眼圖中有落入到該區(qū)域中的點(diǎn)，即判斷信號不合格。
2 航電系統(tǒng)常見串行通信架構(gòu)
2.1 高速串行通信基本架構(gòu)
任何串行通信系統(tǒng)都是由發(fā)送器、信道和接收器3個(gè)基本部分組成，如圖6所示。對于有線和無線通信系統(tǒng)都是如此。
在串行通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在銅電纜或者光纖上傳送。在發(fā)送端，時(shí)鐘的生成通過鎖相環(huán)的倍頻來實(shí)現(xiàn)。在接收端，用時(shí)鐘恢復(fù)電路恢復(fù)出位時(shí)鐘來對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣。
2.2 基于背板的高速串行通信架構(gòu)
圖7所示為常見的機(jī)載設(shè)備中的一個(gè)背板互連系統(tǒng)，高速串行信號的傳輸將經(jīng)過芯片封裝（發(fā)送芯片和接收芯片）、印制板走線（包括子板和背板）、過孔和連接器等，共同組成高速串行通道。
在這種高速串行通信系統(tǒng)中，PCB走線以及接插件過孔將成為主要的抖動(dòng)產(chǎn)生因素。背板有很大的通孔，高速率信號經(jīng)過這些通孔進(jìn)入連接器。當(dāng)子板在插入背板后，導(dǎo)致背板的走線阻抗有所減小，進(jìn)而要求較大的電流。激勵(lì)電流的增加會(huì)產(chǎn)生多余的能量，這些能量會(huì)耦合到其他信號傳輸通道、電路、子系統(tǒng)或自由空間中，進(jìn)而引起信號相互之間的噪聲和抖動(dòng)。
一般來講，要嚴(yán)格控制PCB走線的單端阻抗和差分阻抗。以LVDS信號為例，單線阻抗需要控制在50 Ω，差分阻抗需要控制在100 Ω，同時(shí)接收端的端接匹配阻抗要保證為100 Ω。連接器的安裝空間中或輸出的引出端里盡可能多設(shè)置接地點(diǎn)，最好每個(gè)信號插針附近都有一個(gè)地插針。
2.3 基于電纜的高速串行通信架構(gòu)
圖8所示為基于電纜的高速串行通信架構(gòu)，也是機(jī)艙里常見的信號通信連接方式。其中設(shè)備內(nèi)的電路單板在上一節(jié)討論過，設(shè)備之間的信號是通過電纜或者光纜來傳輸?shù)模@也是抖動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的另一個(gè)主要因素。
對于銅軸傳輸電纜來說，產(chǎn)生抖動(dòng)的主要原因是趨膚效應(yīng)和電介質(zhì)損耗。趨膚效應(yīng)對信號傳輸來說就像是一個(gè)阻值很大的電阻，頻率越高，趨膚效應(yīng)越明顯，在赫茲級頻率下，影響銅纜的主要挑戰(zhàn)是趨膚效應(yīng)[5]。電介質(zhì)損耗是當(dāng)電纜中流過頻率非常高的電流時(shí)，高速變化的電流會(huì)導(dǎo)致介電材料分子的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)所需要的能量就從信號中吸取得到，從而造成信號的變形，進(jìn)而引起噪聲和抖動(dòng)。
光纖比銅纜在損耗方面具備更大的優(yōu)勢。色散和偏振模色散是光纖中引起噪聲和抖動(dòng)的兩個(gè)主要因素[5]。
3 抖動(dòng)分析與解決方案
在圖8所示的某機(jī)艙航電高速串行信號系統(tǒng)中，測得電纜接收端的眼圖如圖9所示。其中傳輸?shù)男盘枮镈VI信號，頻率為480 MHz。在實(shí)際情況下，該DVI視頻信號在接收端顯示效果達(dá)不到要求。從眼圖中可以看出，信號質(zhì)量不是很理想，除了有過沖和振鈴?fù)猓秳?dòng)也非常大。為了分析抖動(dòng)的來源，用示波器同時(shí)測得該信號的抖動(dòng)直方圖和浴盆曲線如圖10所示。
從直方圖分析，該分布相當(dāng)于高斯分布和單一分布的結(jié)合，其中高斯分布占主要部分。高斯分布表明這是一種隨機(jī)抖動(dòng)，在大多數(shù)電路中其來源主要是系統(tǒng)的熱噪聲。而單一分布則表明抖動(dòng)是由碼間干擾造成的，由連接器、電纜以及通道中的信號轉(zhuǎn)換帶來的反射以及驅(qū)動(dòng)器和接收器的有限帶寬造成的抖動(dòng)是碼間干擾的主要成因。
從浴盆曲線上可以看出，接收端所存在的抖動(dòng)中確定性抖動(dòng)較小，而隨機(jī)抖動(dòng)占的比例比較大。確定性抖動(dòng)最常見原因包括反射、串?dāng)_、開關(guān)噪聲以及電磁干擾EMI，而隨機(jī)抖動(dòng)的主要來源是熱噪聲。
無論直方圖分析還是浴盆曲線分析，都表明熱噪聲是造成信號抖動(dòng)的主要原因，同時(shí)信號在傳輸過程中也存在反射、串?dāng)_等因素。
熱噪聲是由于電路中的電荷載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲，任何電路都無法避免。因此在解決上述抖動(dòng)問題的過程中，結(jié)合實(shí)際情況主要把精力放在針對確定性抖動(dòng)做了相關(guān)的改進(jìn)。采取如下步驟。
（1）在電纜接收端加入均衡器改善接收信號質(zhì)量；
（2）用銅軸電纜取代雙絞線電纜；
（3）PCB走線確保信號線的等長性和阻抗一致性，并將走線信號避開時(shí)鐘線、電源等干擾源。
通過上述改進(jìn)，信號的噪聲和抖動(dòng)得到了一定程度上的改善，從顯示效果上來看，已經(jīng)找不到瑕疵了。改進(jìn)后的接收端眼圖如圖11所示，從圖中可以看出，抖動(dòng)有了較大的改善，過沖仍然存在，但較之前有了很大的優(yōu)化。
新一代飛機(jī)航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力要比上一代提高2~3個(gè)數(shù)量級，面對這種要求和挑戰(zhàn)，高速串行數(shù)據(jù)通信方式越來越廣泛地應(yīng)用在機(jī)載航電系統(tǒng)中。隨之帶來的問題是高速串行信號在電纜傳輸中帶來的反射、過沖和噪聲抖動(dòng)。本文介紹了常見的機(jī)載航電系統(tǒng)高速串行通信的架構(gòu)，同時(shí)對抖動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分類，介紹了常用的抖動(dòng)分析方法。
本文結(jié)合機(jī)載航電系統(tǒng)實(shí)際情況，分析了某高速串行通信系統(tǒng)的案例。通過眼圖、直方圖和浴盆曲線分析了信號的傳輸質(zhì)量以及抖動(dòng)的根源，基于分析結(jié)果作了相應(yīng)的措施并進(jìn)行改善，最終結(jié)果表明，改善的措施完全達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。本文介紹的方法具有普遍性和應(yīng)用性，可以用于各個(gè)高速串行通信的領(lǐng)域。
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