【译】利用SDAIII-CompleteLinQ量化分析干扰源开/关时的串扰（1）
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发表于 2/20/2013 2:42:24 PM
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力科公司技术白皮书经典译丛系列之三
利用SDAIII-CompleteLinQ量化分析干扰源开/关时的串扰
Teledyne LeCroy Dr Alan Blankman
概述
SDAIII-CompleteLinQ工作包具有参考通道，LaneScape比较模式和垂直噪声和串扰分析等功能特点，这将使得高速串行数据系统的设计者可以通过它来定量分析在干扰源开/关两种情况下信号上的串扰（crosstalk）大小。该文介绍如何进行这方面的分析以理解和比较不同串扰条件下的噪声和抖动结果。
从串扰中定量测量噪声：测量的挑战
由于相邻通道的串扰叠加到串行数据信号上的噪声问题已成为当前非常突出的信号完整性问题。定量测量出串扰大小一直以来并不容易，因为串行数据分析理论过去一直多是集中于时序上的抖动分析而不是垂直域的噪声分析，而且，定量测量串扰在实际应用中是需要很多步骤才能完成的过程。我们知道，串扰测量首先需要有所谓的“被干扰通道（victim lane）”，同时要在相邻通道有“干扰源(aggressor)”在发送信号以产生“串扰”，然后在干扰源通道不发送信号时再测量被干扰通道以进行比较，因而其测量过程相对比较复杂。
力科公司（Teledyne LeCroy Inc.）提供的SDAIII-CompleteLinQ分析工具包特别适用于不同场景下的测量,例如将干扰源开和关时分别进行测量，将测量结果同时显示在示波器上，然后同时综合应用一些成熟的分析工具如眼图、抖动分析以及一些创新的工具如：“参考通道(Reference Lane)”功能，可以将上次的数据和设置都保留在示波器上以进行比较; 垂直噪声和串扰分析工具，可以定量测量出由于串扰或码间干扰产生的噪声; LaneScape比较模式，一种新的显示模式，可以同时比较多达四个通道的数据与参考通道的数据的 分析结果。
图1 利用SDAIII-CompleteLinQ定量分析干扰源开/关时的串扰
干扰源，受干扰对象和干扰源开/关分析
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图2表示的轨迹体现了相互耦合的两个差分对之间耦合后产生的效果。下面栅格显示的是受干扰通道的波形，是从远端得到的，它包含的毛刺正是由于干扰源通道（上面栅格）的信号在状态发生变化（信号边沿）时引起的。 毛刺的幅度和干扰源信号上升时间及两通道之间的耦合程度有关。这些毛刺将叠加在受干扰通道的信号上，表现为垂直噪声。这种现象将导致眼图闭合，产生误码。本文将定量分析叠加在信号上的这种噪声。
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图3 两个耦合的差分对 (Wild River Technology 的CMP-08板) |
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SDAIII-CompleteLinQ中用于串扰分析的新工具
SDAIII-CompleteLinQ中包含的下面这些工具都将在本文中得到应用：
LaneScape比较模式
SDAIII-CompleteLinQ具有同时观察和分析四个通道和一个参考通道的眼图和抖动的能力。用户选择三种显示模式（single,dual或mosaic）之一就可以同时观察和分析1，2或者所有通道的信号。LaneScape模式通过用户控制来选择。图5的绿色高亮方框中的区域表示了LaneScape选择为Mosaic模式，LaneScape显示了通道1（lane1）和参考通道(Reference lane)。
参考通道（Reference Lane）
选择了一个信号源之后点击 Store LaneX to Ref （X表示1，2，3，4之一）按钮后可将该通道的数据和设置全部保存到参考通道中。保存到参考通道之后，用户可以改变测量和显示的一系列设置以比较它和其它通道的眼图、抖动和垂直噪声的结果。SDAIII-CompleteLinQ所有产品系列中及SDA型号的示波器本身都包括了参考通道功能。 图5表示了通道1（lane1）和参考通道（Reference Lane）同时显示的结果。左下方的蓝色高亮方框中的菜单表示将保存到参考通道和使能该参考通道显示。
垂直噪声和串扰分析测量和显示
垂直噪声和串扰分析工具将定量地计算出由于串扰和其它干扰贡献的垂直噪声的总量，这些测量和显示包括的垂直噪声和串扰分析套件包含在您购买的Crosstalk,CrossLinQ或CompleteLinQ选件中，产品代码XTALK中包括所有这些选件。图5右小角黄色的高亮方框中表示了进入噪声和串扰分析功能模块的菜单。
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图5: 表示使用Mosaic的LaneScape视图同时观察两个通道。每个通道 (Lane1 和参考通道Ref Lane) 都有各自独立的设置界面，称为 LaneScape。保存到参考通道和噪声分析的用户设置界面都显示在上面。 |
利用SDAIII-CompleteLinQ来分析干扰源开/关
干扰源开/关分析可以使用SDAIII-CompleteLinQ的单通道或多通道版本的软件包来完成。不管是干扰源开或者关的情况下，参考通道可用于保存受干扰通道的分析结果。 使用多通道版本的软件包，干扰源通道和受干扰通道可以同时显示。
设置
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1.在干扰通道关闭的情况下单次捕获超过100， 000UI和超过100个重复码型的串行数据。(如果信号不是重复的码型，在Patter Analysis对话框或抖动和噪声分析对话框中不要勾上“Repeating Pattern”) 。
2.配置示波器进行串行数据分析。图6表示了在干扰源关时的抖动和垂直分析。
3.将Lane1的分析保存到参考通道。点击Store Lane1 to Ref即可。Lane 1 的分析结果将被完整复制到参考通道，如图7所示。
4.打开干扰源通道。
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6.单次捕获在干扰源打开时的波形。图8表示了这时的分析结果
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垂直噪声的分析结果
图6到图8的视图以及下面噪声的表格给出了干扰源打开时叠加在受干扰通道上的垂直噪声的数量。下面我们来详细地检查测量结果。
SDA Noise概览表
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ISIn参数也有很小的变化，这种称为码间干扰的“噪声”有点让人容易混淆，因为由于ISI带来电压上的变化根本不是“噪声”，而更多是由于它是由受干扰通道内部的反射引起的，不是相邻通道的耦合带来的。(为了理解这个，请考察图1中参考通道的眼图和信号，眼的厚度就是由于ISI带来的不同的“trajectories”)
噪声还表现为周期性的结果（看表格中Pn的差别）。 这个分析结果的原因将在后面介绍噪声频谱时候讨论。实际上，所有的噪声都归到周期性一类，是固有噪声的一部分。
表格EH(1e-12)列中给出了外推后的眼高参数。这是根据在采样位置的垂直噪声外推得到的。将干扰源通道打开，眼高明显变小，由200mv降低到100mv(我们后面将讨论这结果和抖动分析进行比较)。 EH(1e-12)参数比传统的眼图参数菜单中的眼高参数能更好地量化眼图展开的垂直量。（传统的眼高参数在ISI存在或者眼图有均衡时并不能给出合适的结果，因为在眼高算法中不能从糟糕的眼图中得到有意义的“1”电平和“0”电平结果。）
SDA noise概览表中的测量结果表明了Lane1和参考通道中的噪声有了数量上的差别，但是它没有给出这种差别的原因。下面我们将利用不同的噪声分析的视图来帮您更好地理解产生这些噪声的原因。
噪声分析波形和视图
上页图8中表示了时域、频域和统计域的分析结果。下面我们来分别予以说明。
图10表示两种场景下的 RnBUnTrack波形， RnBUnTrack 表示在用户选择的采样时间段内叠加在受干扰通道上的噪声。为了得到该波形，首先对”无噪声”时的波形进行分析，然后再进行相减。 RnBUnTrack波形上可以看出干扰源开和关时有直观上的差别。RnBUn track 也可以对干扰源通道（没有显示）的数据进行比较。这样比较后您会发现RnBUn track上的毛刺和干扰源的边沿一致。
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图11表示RnBUnHist 直方图。这些视图表示了在RnBUnTrack中发现的噪声的分布情况。干扰源打开时，可以看到三个峰值的高斯分布，这是干扰源的特点引起的。在噪声采样时间段内，耦合的电压毛刺可能是正相的（由于干扰通道的正向跳变），负相的（由于干扰通道的负向跳变）或者是没有毛刺(由于干扰源通道没有跳变)。参考通道只有一个高斯分布，表示在干扰源通道关闭时受干扰通道上只有随机噪声。 (注意:水平轴是不同的，有10倍的刻度比例差别)
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图12表示了RnBUnSpect中峰值的反向FFT。该图也很明显地表明了干扰源影响的效果。Pn反向FFT的峰峰值，是和Pn相关的。 (注意Lane1和参考通道的垂直刻度是不同的)
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观察Crosstalk Eye
图1中眼图周围的绿色轮廓线是Crosstalk Eye。该图是垂直噪声作为误码率函数的外推结果。Crosstalk Eye是一种轮廓地图，每一个轮廓线评估的是一个特定的误码率下的噪声外推。 这种噪声分析视图在传统的眼图中并不能体现。传统眼图只是显示捕获的数据测量分析结果。例如，具有500,000个UI的眼图只能近似体现出BER=10-5以内的噪声。传统的眼图提供了有价值的信息，但不能给出测量结果的外推信息。
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图14：Crosstalk eye显示在传统眼图的旁边，Crosstalk eye包括很多轮廓线图，它是垂直噪声外推到小的BER产生的。在干扰源开时，误码率达到10-21时，Crosstalk eye接近闭合了 |
在干扰源开/关时的Crosstalk Eye
如图14所示。我们可以看到，干扰源开时的crosstalk eye的轮廓线闭合到快靠近0V交叉电平了。眼图并不能显示出这个效果，因为眼图只是利用了当前的数据并没有进行外推。
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抖动分析结果
除了噪声分析之外，抖动分析可以帮助洞察抖动源，给出抖动的定量测量结果。本节中我们将讨论干扰源开-关的抖动分析结果并和噪声测量结果做比较。抖动的计算是基于对TIE的分析。了解更多抖动相关算法请参考我们的白皮书“理解力科串行数据分析软件SDAIII中的抖动算法”。必须注意的，垂直噪声和水平抖动都不是相互独立的现象。增加随机垂直噪声将表现为抖动的增加。
SDA Jitter 概览表
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图16： SDA Jitter概览表，给出了干扰源开（Lane1）和关(参考通道)时受干扰通道的抖动。表格表明当串扰引起受干扰通道垂直噪声增加，抖动也会随之增加。 |
ISI(inter-symbol interference)和DDj(data-dependent jitter)参数只有非常微小的变化（和SDA noise表中的情况一样），这和理论预期也是一致的，因为ISI是由于受干扰通道反射而不是由于相邻通道的耦合所引起的。DDj 分析的则是和受干扰通道码型同步的抖动成分。
Pj的结果增加了1.3ps。这将在后面介绍抖动频谱和Pj反向FFT时进一步说明。此外，表格中还有在误码率1e-12时的眼宽值。
总之，表格的测量结果显示了lane1和参考通道之间测量结果的差异，但没有深入洞察这种差异的原因。
下一步我们将利用不同的抖动分析的视图来帮您更好地理解产生这些抖动的原因。
抖动分析波形和视图
图17显示了TIE Track和RjBUjTrack波形。 这些图分别表示了数据相关影响去掉之前和之后对时间间隔误差的track结果。上面栅格是TIE的track，下面栅格表示RjBUj的track。
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可以看出在干扰源开时的幅度会大一些。
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图18中表示TIEHist和RjBUjHist的直方图。这些直方图表示了TIE和RjBUj Track的数据分布。在干扰源开时，直方图要宽一些，但是并没有非常明显的差别。
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图19是RjBUj频谱图。 在干扰源开时，我们没有看到和RnBUn频谱中那样明显的频谱线，但是我们看到了总体上的噪声基底增加，这正是串扰的特点：事件的间隔上短但是频谱范围很大。这种影响带来的麻烦是，业内使用频谱方法测量Rj时无法区分出这噪声基底的增加是否是由于串扰带来的。串扰将会被误当作Rj从而是Rj的测量结果偏高很多。下面谈到的Teldedyne LeCroy的NQ-Scale抖动分解方法可以避免该问题。
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抖动浴盆曲线比较
图20中，我们比较了两种情况下的分析结果。 在该比较中，干扰源通道都是打开的，但是在干扰源通道和受干扰通道之间的时序有了改变，时序上的延迟改变了串扰出现的时刻。串扰表现在眼图上是不同位置的“肿块”：在参考通道上串扰出现在中间位置，而在Lane1中出现在边沿上。
黄色曲线是浴盆曲线（Bathtub Curve）, 它直观上容易看出Tj是如何随着BER的值而改变的。X轴的单位是UI，Y轴的单位是BER值。在每一个特定BER时的浴盆曲线宽度表示了该误码率下水平方向上的余量还有多少。在抖动分析中BER一般默认为10-12，这时的浴盆曲线两个“墙”之间的时间间隔就是Tj。
当我们比较两种情况下的曲线时，我们看到在参考通道中任何一个BER值时浴盆曲线的宽度要更宽些。
这可解释为在参考通道上眼图张得更开些。 这种解释仅仅是将抖动考虑进去，并不能反应出眼图在垂直上的闭合。但是在crosstalk eye中看到参考通道上的噪声分析可以清楚地得出不同的结论：眼图更接近闭合。这给我们的启示是，单独一个结果例如Tj或浴盆曲线并不能反应出问题的全貌。
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串扰为什么会影响到Rj测量? 如何影响?
在使用频谱方法测量Rj时，串扰将对抖动结果产生影响，得到和理论上可能不一致的结果。正如前面所述，如图19所示，RJBUj频谱的噪声基底在干扰源开后会上升，不幸的是，业内采用的频谱方法原理上无法确定噪声基底更高的部分是由串扰贡献的，因此得到的Rj值会更高。力科公司除了提供两种频谱方法之外，SDAIII-CompleteLinQ还提供了一种被称为NQ-Scale的非频谱方法。NQ-Scale方法没有使用抖动频谱，可以避免将因为串扰而添加的抖动计算为Rj。
表1中列出了干扰源开和关两种情况下采用不同抖动算法的结果，可以看出频谱方法确实将Rj值过估了，NQ-Scale方法则会得到更好的计算结果。
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Rj
(NQ) |
Rj
(Spectral) |
Rj
(Spectral "Direct") |
干扰源开时的
眼图
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干扰源开
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1.484 ps
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1.851 ps
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1.704 ps
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干扰源关
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1.057 ps
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0.918 ps
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0.838 ps
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表1: 当串扰明显地作用于受干扰通道的UI接近中间位置时,不同的dual-Dirac抖动计算方法计算出来的Rj结果。当串扰存在时，NQ-Scale方法产生了最可信的Rj。频谱方法会带来“欺骗性”，因为串扰带来频谱的噪声基底提高，被误当作了更高的Rj
在另外一组实验中，串扰和受干扰通道的边沿位置对齐，而不是和眼图中间接近，这时串扰对抖动结果影响更大，因为噪声和信号边沿在时间上是一致的！ 表2中列出了相应的抖动计算结果，频谱方法得到的Rj结果与表1的结果相比明显变大。
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Rj
(NQ) |
Rj
(Spectral) |
Rj
(Spectral "Direct") |
干扰源开时的
眼图
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干扰源开
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1.314 ps
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3.623 ps
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3.634 ps
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干扰源关
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1.057 ps
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0.918 ps
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0.838 ps
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表1: 当串扰明显地作用于受干扰通道的UI接近边沿位置时,不同的dual-Dirac抖动计算方法计算出来的Rj结果。和表1类似，当串扰存在时，NQ-Scale方法产生了最可信的Rj。频谱方法得到更差的结果，因为噪声基底的明显提高
软件使用灵活度高
SDAII-CompleteLinQ的使用灵活度很高。可以改变待显示分析的波形输入，可以改变噪声或抖动的任何视图显示、栅格数量、栅格中显示的内容、所有视图的水平和垂直刻，等等。
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另外一个小提示：为了快速移动波形，可以直接将屏幕下面的菜单拖到某个栅格中，如图21所示。
结论
SDAIII-CompleteLinQ提供了理解和量化分析串扰的独特的工具包。LaneScape比较模式和参考通道使得用户易于比较两种不同条件如干扰源开-关分析的测量结果。用户可以根据Tk/Rj/Dj和Tn/Rn/Dn的测量结果分析出串扰是如何影响抖动和噪声测量的，还可以通过追踪图、直方图、频谱图、眼图和crosstalk eye等深入洞察串扰的特征。 本文中谈到的一系列分析功能可以在力科的WavePro/SDA/DDA 7 Zi/Zi-A, WaveMaster/SDA/DDA 8 Zi/Zi-A, LabMaster 9 Zi-A 和 10 Zi 系列示波器中安装软件包实现。SDA III-CompleteLinQ家族成员中的“Crosstalk”, “CrossLinQ”和 “CompleteLinQ”等产品都具有垂直噪声分析工具。
图11：噪声跟踪结果的直方图显示为RnBUnHisto 视图。 左边是干扰源开时的视图，表示存在三种不同的噪声状态
