資料介紹
網絡串行解串器(SERDES)的串行數據輸出速度已經高達28Gbps,并且還在繼續發展。在如此高數據速率的條件下,即使很短的PCB走線也會起到傳輸線的作用,進而通過衰減和散射降低信號完整性。在芯片的焊球上監視SERDES發送器輸出信號很難做到。通常信號會引到SMA或SMP連接器后再用示波器進行監測。然而,信號特性會因為IC和連接器之間的傳輸線而發生改變。因此,真正的挑戰是在SERDES引腳處監視信號性能,而這可以通過去除傳輸線效應來實現。本設計實例介紹了一種去除傳輸線的方法。
假設H(s)是走線的沖激響應,如果X(s)是輸入信號,那么從數學角度看:
Y(s)=H(s)×X(s)
X(s)=Y(s)×H-1(s)
可以將H-1(s)實現為有限沖激響應(FIR)濾波器,并使用MATLAB確定濾波系數(參考文章最后的文檔)。
走線的H(s)可以用網絡分析儀進行測量,測量的對象是Sdd21.首先需要確定FIR濾波器(hf(t))的系數,其頻率響應(Hf(s))接近上述測量的Sdd21的倒數,即Hf(s)=H-1(s)。計算濾波器系數的方法是先從特定系數開始計算頻率響應,然后計算H(s)和Hf(s)之間的幅度誤差。最后使用優化算法改變系數,直到使和方差最小。
參考FIR_filter_design.m,nc是FIR濾波器中的系數值,drate是單位為Gbps的輸入串行數據的數據速率。選擇合適的fs,使fs/drate為整數。這樣將定義用1個比特表示的系數值。Ncbit給出了相鄰系數間的時間差。假設N是頻率響應Hf(s)中的點數,numfpts=N/2是奈奎斯特范圍內的頻點數。濾波器傳遞函數的奈奎斯特頻率就是fs/2.然后定義finmin到finmax的頻率范圍,這樣就可以計算這個范圍內的幅度誤差了。
對應奈奎斯特的濾波器頻率點為:
Hz1=(k×fs)/(2×numfpts),k=0~numpts-1
插值運算是通過計算Hz1頻率點處的Sdd21幅度完成的。將濾波系數初始化為某個值。使用freqz MATLAB函數計算濾波器的頻率響應幅度,然后確定插值后獲得的Sdd21幅度數據間的誤差。使用MATLAB fminbnd函數可以最大程度地減小和方差,最小化算法有許多實現方式,本文提供的代碼只是其中一種。
實驗結果
為了演示FIR濾波器的效果,使用一臺Keysight 86100D采樣示波器和一臺Tektronix的BERTScope,生成了速率為10.3125Gbps的圖案。BERTScope的輸出連接到DS0,波形存儲在示波器內存中,如圖1所示(洋紅色)。然后將BERTScope輸出連接到PCB上的傳輸線;通道的SDD21(dB)的變化如圖2所示。將通道的輸出連接到DS0(黃線)。通道引起的衰減和散射顯著劣化了波形。在示波器的數學功能選項中有一個線性均衡器模塊,它的輸入是濾波系數。在信號路徑中插入該線性均衡器模塊,然后輸入濾波系數。該模塊的輸出用綠線表示。FIR濾波器消除了通道的ISI效應,而且恢復的波形相當完美。
圖1:BerScope PRBS7輸出(洋紅色);PCB走線輸出端的信號(黃色);FIR濾波器輸出(綠色)。
假設H(s)是走線的沖激響應,如果X(s)是輸入信號,那么從數學角度看:
Y(s)=H(s)×X(s)
X(s)=Y(s)×H-1(s)
可以將H-1(s)實現為有限沖激響應(FIR)濾波器,并使用MATLAB確定濾波系數(參考文章最后的文檔)。
走線的H(s)可以用網絡分析儀進行測量,測量的對象是Sdd21.首先需要確定FIR濾波器(hf(t))的系數,其頻率響應(Hf(s))接近上述測量的Sdd21的倒數,即Hf(s)=H-1(s)。計算濾波器系數的方法是先從特定系數開始計算頻率響應,然后計算H(s)和Hf(s)之間的幅度誤差。最后使用優化算法改變系數,直到使和方差最小。
參考FIR_filter_design.m,nc是FIR濾波器中的系數值,drate是單位為Gbps的輸入串行數據的數據速率。選擇合適的fs,使fs/drate為整數。這樣將定義用1個比特表示的系數值。Ncbit給出了相鄰系數間的時間差。假設N是頻率響應Hf(s)中的點數,numfpts=N/2是奈奎斯特范圍內的頻點數。濾波器傳遞函數的奈奎斯特頻率就是fs/2.然后定義finmin到finmax的頻率范圍,這樣就可以計算這個范圍內的幅度誤差了。
對應奈奎斯特的濾波器頻率點為:
Hz1=(k×fs)/(2×numfpts),k=0~numpts-1
插值運算是通過計算Hz1頻率點處的Sdd21幅度完成的。將濾波系數初始化為某個值。使用freqz MATLAB函數計算濾波器的頻率響應幅度,然后確定插值后獲得的Sdd21幅度數據間的誤差。使用MATLAB fminbnd函數可以最大程度地減小和方差,最小化算法有許多實現方式,本文提供的代碼只是其中一種。
實驗結果
為了演示FIR濾波器的效果,使用一臺Keysight 86100D采樣示波器和一臺Tektronix的BERTScope,生成了速率為10.3125Gbps的圖案。BERTScope的輸出連接到DS0,波形存儲在示波器內存中,如圖1所示(洋紅色)。然后將BERTScope輸出連接到PCB上的傳輸線;通道的SDD21(dB)的變化如圖2所示。將通道的輸出連接到DS0(黃線)。通道引起的衰減和散射顯著劣化了波形。在示波器的數學功能選項中有一個線性均衡器模塊,它的輸入是濾波系數。在信號路徑中插入該線性均衡器模塊,然后輸入濾波系數。該模塊的輸出用綠線表示。FIR濾波器消除了通道的ISI效應,而且恢復的波形相當完美。
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