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(duì)某案例進(jìn)行測(cè)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(hào)完整性

　　隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(jí)，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(duì)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(hào)嵌入到串行數(shù)據(jù)信號(hào)中，從而解決了限制數(shù)據(jù)傳輸速率的信號(hào)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(hào)以如此高的速率來傳輸，帶來一系列信號(hào)完整性問題，這些問題除了信號(hào)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(hào)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(hào)完整性問題，介紹了評(píng)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(duì)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(hào)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(hào)，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(hào)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(shí)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(zhǎng)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(hào)質(zhì)量的最直接反映。傳統(tǒng)的并行系統(tǒng)中，測(cè)量若干個(gè)讀寫周期內(nèi)的信號(hào)質(zhì)量基本就可以確定整個(gè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)的工作情況。而在高速串行互連中，由于信號(hào)傳送的速率高并且每個(gè)傳送周期內(nèi)的信號(hào)質(zhì)量存在一定的差異，因此需要對(duì)大量周期信號(hào)進(jìn)行取樣測(cè)量。多周期的信號(hào)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(duì)信號(hào)質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)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(hào)的高低電平幅度以及由反射引起的上沖及下沖等信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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(hào)傳輸通道、電路、子系統(tǒng)或自由空間中，進(jìn)而引起信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)是通過電纜或者光纜來傳輸?shù)?，這也是抖動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的另一個(gè)主要因素。

　　對(duì)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(duì)信號(hào)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(jí)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(hào)中吸取得到，從而造成信號(hào)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(shì)。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(hào)系統(tǒng)中，測(cè)得電纜接收端的眼圖如圖9所示。其中傳輸?shù)男盘?hào)為DVI信號(hào)，頻率為480 MHz。在實(shí)際情況下，該DVI視頻信號(hào)在接收端顯示效果達(dá)不到要求。從眼圖中可以看出，信號(hào)質(zhì)量不是很理想，除了有過沖和振鈴?fù)?，抖?dòng)也非常大。為了分析抖動(dòng)的來源，用示波器同時(shí)測(cè)得該信號(hào)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(hào)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(hào)抖動(dòng)的主要原因，同時(shí)信號(hào)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(duì)確定性抖動(dòng)做了相關(guān)的改進(jìn)。采取如下步驟。

　?。?）在電纜接收端加入均衡器改善接收信號(hào)質(zhì)量；

　?。?）用銅軸電纜取代雙絞線電纜；

　　（3）PCB走線確保信號(hào)線的等長(zhǎng)性和阻抗一致性，并將走線信號(hào)避開時(shí)鐘線、電源等干擾源。

　　通過上述改進(jìn)，信號(hào)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(jí)，面對(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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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