（物理电子学专业论文）高速数字串行通信中的时间抖动研究.pdf

中同科学技术大学博学位论文致恻 致谢 论文写完的时候总是百感变集的。回想起过去六年在快电子学实验室中的经历，我总觉 得有太多的人需要感谢。 首先，我要感谢我的导师王砚方教授和安琪教授，他们严谨治学的科学态度、广阔渊博 的学识经验、孜孜不倦的追求精神以及一丝不苟的工作作风都对我产生了极大的影响。在快 电子学实验室学习和工作的六年中，他们在我的学习上、科研工作上还有生活上都给予了极 大的指导和帮助，从他们身上，我不但学会了学习和科研的方法，更学会了生活和做人的道 理。 还要感谢快电子实验室的武杰博士和宋克柱副教授，他们在我进入实验室以来一直在工 作和科研中给予我各种帮助和指导，是我在工作和科研中的良师益友。 特别感谢唐世悦同学和程敬原同学，他们在本论文完成过程中参与了很多的工作，在设 计和电路调试各方面都给了我很大的帮助。另外还要感谢快电子实验室的吴义华、何正淼、 李玉生、张俊杰、乔崇、曹平等同学，在同他们的讨论中我获益匪浅，得到了很多有用的启 发和灵感。同时感谢实验室的其他同仁，他们在工作中给了我很多支持，他们是：王永纲副 教授，汤家骏、刘树彬、陆增援、阮福明、王超、伍尚坤、刘素琴等。快电子实验室的程伊 敏女士也为本论文的完成提供了诸多重要的后勤服务。 感谢我的父亲母亲和姐姐，感谢身边所有关心和爱护我的朋友们，多年来他们给予我的 亲情和友情以及对我无私的关怀和鼓励，我将终生难忘。 最后，向中国科技大学、近代物理系快电子学实验室的各位老师和同学，表示我真诚的 感谢! 中围科学技术大学博： 学位论文摘要 摘要 随着技术的发展和数据流量的不断增长，传统的并行接口面临的干扰和时钟传送两大关 键问题成为限制并行i o 接口的数据率进一步提高的瓶颈。在这种情况下，过去主要用于光 纤通信的数字串行通信技术正在取代传统并行总线而成为高速接口技术的主流。在高速数字 串行通信中的时钟抖动现象是影响系统性能的一个重要因素，对于时间抖动的研究无论在理 论还是实践中都有着十分重要的意义。 本论文主要研究的是基于电信号的高速数字串行通信系统中的时间抖动性能。在论文中 讨论的高速数字串行通信具有以下特征：1 在系统中传输的是电信号；2 在系统中传输的 电信号是基带信号，没有经过任何调制过程。在这种假设下，论文系统研究了高速数字串行 通信中时间抖动现象及本质的各个方面。 在论文第一章中介绍了高速数字串行通信发展的现状和高速数字串行通信中的核心器 件s e r d e s 的组成结构，并在讨论高速背板发展的过程中提出了影响高速数字串行通信系 统性能的各个有关因素，在此基础上提出了高速数字串行通信中的j i t t e r 概念及其研究意义。 在第二章中介绍了j i t t e r 测量及分析理论中的一些基础知识，并对于各种j i t t e r 类型作了 简单的介绍。首先介绍了对于时钟i i t t e r 的几种描述方式，其次介绍了从统计和时域、频域 角度进行j i t t e r 分析的方法，最后介绍了从现有j i t t e r 现象中得到的j i t t e r 模型的介绍，并简 要介绍了i i t t e r 传递函数和抖动容限的定义。 在第三章中，围绕着误码率和j i t t e r 的关系，对各种j i t t e r 模型对于误码率的影响进行了 理论分析和仿真，并给出了不同误码率情况下系统的j i t t e r 大小的一些估算方法，最后对采 用误码率手段得到的眼图模板来判断信号质量的方法做了简单的介绍。 第四章是论文的核心部分。在第四章中从高速数字串行通信的模型出发，推导出了各种 j i t t e r 成分对应的数学模型，并对其大小和产生原因作了较为详细的分析，对从系统响应函 数出发得到具体i i t t e r 成分的分析方法体系首次完成了系统性的推导、概括和总结。最后， 针对几种不同的系统，具体分析了这些系统中的j i t t e r 现象，并对前述理论进行了验证和仿 真。 论文第五章主要针对锁相环和基于锁相环的时钟数据恢复( c d r ) 电路的j i t t e r 性能， 系统中采用的均衡电路对于i i t t e r 的影响，以及系统中传送的是多元码( 如p a m - 4 ) 时的j i t t e r 性能的分析手段，讨论了常见的串行通信手段对于i i t t e r 的影响。 。 论文第六章简要介绍| ，针对现有常见的l i l t e r 直接铡量技术的一些具体的i i t t e r 分析的方 法。在论文第七章中对常见昀i i t t e r 的直接测量方法作了简单的介绍，对采用每种测量方法 得到的数据如何进行1 i t t e r 分析处理也作了简单的说明，最厉介绍了一种对于时间间隔测量 高频率时钟1 i t l e r 的改进的测量方法。 在论文的最后一章中介绍了一个用于完成对1 i t t e r 的性质进行时闯间隔分析测试与验证 的系统的设计。目前，系统已经完成了设计和制板的过程，_ l 在的紧张的调试中。 中国科学技术大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h en e wt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s eo f t h ed a t ar a t e ，t h ep r o b l e mo f c r o s s t a l ka n dc l o c kt r a n s f e rw h i c ha r ei n d u c e di nt h es i g n a lt r a n s m i t t e di nt r a d i t i o n a lp a r a l l e l i n t e f f a c e ，h a sb e c o m eo n eb o t t l e n e c kw h i c hb l o c k st h ef u r t h e ri n c r e a s eo f t h ed a t ar a t e i nt h i sc a s e ， t h ed i g i t a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ew h i c hw a su s e dt ob eu s e di nf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，h a s b e e ns u b s t i t u t i n gt h et r a d i t i o n a l p a r a l l e l i n t e r f a c ea n db e c o m i n gt h em a i n s t r e a mo fc u r r e n t h i g h - s p e e di n t e r f a c et e c h n i q u e t h ej i t t e rp h e n o m e n o ni nh i g h s p e e dd i g i t a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o n i so n eo f t h ei m p o r t a n tf a c t o r so fs y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dt h er e s e a r c ho nt h ej i a e rp h e n o m e n o n i s r i t hg r e a tm e a n i n gi nt h ea r e a so f b o t l it h e o r ya n dp r a c t i c e i n t h i sp a p e r , t h ej i r e rp e r f o r m a n c eo f1 1 i g h s p e e dd i g i t a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o nb a s e do n e l e c t r o n i cs i g n a li si n v e s t i g a t e d t h eh i g h - s p e e dd l g i t a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o nd i s c u s s e di nt h e p a p e rh a st h ec h a r a c t e ra sf o l l o w s ：1 t h es i g n a l st r a n s f e r r e di nt h es y s t e ma r ca l le l e c t r o n i cs i g n a l s ； 2 t h es i g n a l sd i s c u s s e di nt h ep a p e r 础a l ls i g n a l si nt h eb a s eb a n d , a n dh a v e n tb e 曲m o d u l a t e da t a 1 1 u n d e rt h i sa s s u m p t i o n ，8 l la s p e c to f j i t t e r , f i o mp h c n o m e n at oi n b e m g ，h a v eb e e nd i s c u s s e di n t h i sp a p e r i nf i r s tc h a p t e ro f t h ep a p e r , t h ea e t u a l i t yo f t h eh i g h - s p e e dd i g i t a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o n , w i t h c o n s t r u c to ft h ec o md e v i c ei nt h eh i g h - s p e e dd i g i 扭ls e r i a lc o r m n u n i c a t i o n s e r d e s ，a l e i n t r o d u c e d t h ek e yf a c t o r sw h i c hc a na f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c eo f h i 9 1 l s p e e dd 蜘ls e r i a l c o m m u n i c a t i o na r ep r e s e n t e d ，a n dt h ec o n c e p to f j i t t e ri nh i g h - s p e e dd i g i t a ls e r i a lc o r r a n u n i c a t i o n i si n t r o d u c e d s o m eb a s i ck n o w l e d g ea n dt h e o r yo f j i t t e r ，w i t ht a x o n o m yo f j i t t e ra l ei n t r o d u c e di nc h a p t e r 2 a tf i r s t ，s e v e r a lm e t h o d sw h i c hd e s c r i b e st h ej i t t e r si nc l o c ks i g r 山a r ei n t r o d u c e d ，t h e ns o m e d i f f e r e n tw a y si nt h ea n a l y s i so f j i t t e rp h e n o m e n o n ，s u c ha ss t a t i s t i c a l ，t i l n ed o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n , 缸e p r e s e n t e d a t l a s t ，t h e j i t t e r m o d e l w h i c h c a m e 丘0 m t h e j i t t e r p h e n o m e n a i s d e s c r i b e d ， a n dt h ed e f i n i t i o no f j i t t e rt r a n s f e rf u n c t i o na n d j i t t e rt o l e r a n c ea r eg i v e n 功et h i r dc h a p t e ra r ea b o u tt h er e l a t i o nb e t w e e n j i t t e ra n db i tg r o rr a t e ( b e r ) i nt h i sc h a p t e r , t h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no nh o wa j i t t e rc o m p o n e n tc a na f f e c tb e ra r eg i y e n ，a n dt h e e s t i m a t e so f j i t t e ri nd i f f e r e n tb e rl e v e l sa n ei n d u c e d t h em e t h o dt oe s t m m t et h es i g n a lq u a l i t y u s i n ga j i t t e re y em a s ka r ei n t r o d u c e da tt h el a s to f t h i sc h a p t e r t h ef o u r t hc h a p t e ri st h ec o r np a r to f t h ep a p e r i nt h i sc h a p t e r , t h em a t h e m a t i cm o d e lo f j i a e r c o m p o n e n ti si n d u c e db a s e do nt h em o d e lo f h i g h - s p e e dd i g i t a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h ed e t a i l e d a n a l y s i so ft h ea m p l i t u d ea n dc a u s eo ft h f f e r e n tj i t t e rp h e n o m e n o na r ec o n c l u d e d ac o m p l e t e t a x o n o m yo nh o wt og e tt h ej i t t e rc o m p o n e n tf r o mt h ei m p u l s er e s p o n s eo ft h es y s t e mi si n d u c e d ， g e n e r a l i z e da n ds u m m a r i z e da tl a s t ，s o m es i m u l a t i o nw o r k sa r ei n t r o d u c e df o c u s e do ns e v e r a l k i n d so f s y s t e mb a s e do nt h et h e o r yw h i c hw a si n t r o d u c eb e f o r e ht h ec h a p t e r5 t h ee f f e c t so fs o m eo r d i n a r yt e c h n i q u eu s e di nt h eh i g h s p e e dd i g i t a ls e r i a l c o m m u n i c a t i o na r ei n t r o d u c e d ，m a i n l yf o c u s e do n3s u b j e c t s ：t h ej i u e rp e r f o r m a n c eo fp l la n d p l lb a s e dc d rc i r c u i t ，t h ej i r e rp e r f o r m a n c eo fas y s t e mw s t hd a t ap r e e m p h a s i sa n dd a t a e q u a l i z a t i o n ，a n dt h ej i t l e rp e r f o r m a n c ea n a l y s i sm e t h o di nm u l t i l e v e ls i t u a t i o n ，s u c ha sp a m 珥 i nc h a p t e r6 ，t h ec o m m o nj i t t e ra n a l y s i sa l g o r i t h m si nd i r e c tj i t t e rm e a s u r ea r ei n t r o d u c e di n b r i e f , w h i l ek i n d so f d i r e c t j i t t e rm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r 7 h o wt op r o c e s s t h ed a t ag o tf r o md i f f e r e n tm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ep r e s e n t e di nc h a p t e r7t 0 0a tt h el a s to f 2 中困科学技术大学博十学位论文摘要 c h a p t e r7 ，an e wi m p r o v e dm e a s u r e m e n tm e t h o du s i n gt i a ( t i m ei n t e r v a la n a l y s i s ) i si n t r o d u c e d h i g hf r e q u e n c yc l o c ks i g n a l i nt h el a s tc h a p t e ro ft h ep a p e r , c h a p t e r8 ，t h ed e s i g no fam e a s u r e m e n ta n dv e r i f y i n gs y s t e m u s i n gt i aa r ei n t r o d u c e d ，w h i c hc a r lm e a s u r et h ej i t t e ri nas y s t e ma n dv e r i f yi ft h ej i a e r p e r f o r m a n c ei sc o m p l i a n c ew i t ht h ep r e v i o u st h e o r yr e s u l ta tp r e s e n t t h es y s t e mh a sb e e n f i n i s h e dd e s i g n i n ga n dp c bp r o d u c i n ga n di sb e i n gd e b u g g e dn o w 3 中国科学技术大学博l 学位论文高速数字串打通信中的时间抖动研究 第一章绪论 本论文主要研究的是基于电信号的高速数字串行通信系统中的时间抖动( j i t t e r ) 性能。 在论文中讨论的高速数字串行通信具有以下特征：1 在系统中传输的是电信号；2 在系统 中传输的电信号是基带信号，没有经过任何调制过程。 在现有的高速数字串行通信中，传输介质可以分为两大类：一是以电为传播媒介的，如 铜线( 高速背板) 、双绞线、电缆等等；二是以光为传播媒介的，如光纤。尽管传输的数据 内容看上去很相似，但是以光为媒介的高速串行通信无论从物理机制( 光对电) 、传输介质 ( 光纤对各种导线) 、调制方式( 载波波长幅度调制对无任何调制) 以及显示数字量0 1 的 物理量( 功率对电压，电流) 等各个方面与基于基带电信号的高速串行通信都有本质的不同。 然而，从我们关心的信号质量和时间抖动角度来看，两者之间有着很多相通之处。这也是在 论文讨论的很多地方并不区分是电信号还是光信号的原因。 在本章中将对高速串行通信的发展现状作一简要介绍，并引出高速串行通信中的时间抖 动( j i t t e r ) 的定义，并说明j i t t e r 研究的实际意义。 1 1高速串行通信的现状和发剧1 1 随着技术的发展和信息流量的不断增长，以p c i 为代表的传统的并行接口中的面临的 两大问题成为了传统并行i 0 接口的数据传输瓶颈口j ：首先，由于采用并行数据以共享总 线形式进行传输，就需要面对多负载驱动和多路选择的问题，很可能产生信号反射问题，使 得信号完整性变差。同时由于并行接口中需要的数据线多，且采用单端信号传输方式而不是 差分信号传输方式，造成信号和信号之间干扰大，抗噪声能力差。随着传输速率的增加，这 种信号质量的问题会越来越影响到和数据的正确发送和接收。其次，在高速并行接口中往往 采用时钟同步的数据传输方式。在时序设计时，必须考虑到许多因素，如信号在背板上的传 输延迟时间( 飞行时间) ：时钟信号的偏差和抖动；收发器的传输延迟时间( 时钟到数据输 出) ，数据建立和保持时间等。随着时钟频率和传输距离的增加，由于飞行时间和器件延时 等因素的存在，造成建立时间方程和保持时间方程同时满足的系统冗余越来越小，甚至无法 工作。 在这种情况下，过去主要用于光纤通信的串行通信技术s e r d e s 正在取代传统并行 总线而成为高速接口技术的主流。s e r d e s 是英文s e r i a l i z e r ( 行器) d e s e r i a l i z e r ( 解串器) 的简称。它是一种时分多路复用( t d m ) 、点对点的通信技术，即在发送端多路低速并行信号 被转换成高速串行信号，经过传输媒体( 光缆或铜线) ，最后在接收端高速串行信号重新转换 成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利甩传输媒体的信道容量减少所需钓传 输信道和器件引脚数目，从而人大降低通信成本。 由丁采用差分信号传输代替单端信号传输，从而在信号传输过程中增强丁抗噪卢、抗干 扰能力：同时，在基丁s e r d e s 的串行通信过程中采用时钟和数据恢复技术代替同时传输 数据和时钟，从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题。这样，基于s e r ：d e s 的 高速串行接口突破了传统并行f o 接口的数据传输瓶颈，大大提高了数据传输的数据率，正 在成为一种通用的i o 接口标准。 随着技术的发展，基于s e r d e s 的高速串行通信技术被广泛应用于各个领域。针对不 中国科学技术大学博士学位论文高速数字串行通信中的时间抖动研究 同的应用领域，近年米世界上有多个标准组织已经或止在制订从1 g 到1 0 g 乃至更高速率的 高速串行接口标准。 最早的s e r d e s 出现在以光纤作为传播媒介的广域n ( w a n ) 通信中。国际上存在两种 域网标准：一种是s o n e t ，主要通行于北美：另一种是s d h ，主要通行于欧洲。这两种 广域网标准制订r 不同层次的传输速率。目前i o g ( o c 1 9 2 ) 广域网已在欧美开始实行，中国 大陆己升级到2 5 g ( o c 4 8 ) 水平。s e r d e s 技术支持的广域网构成了国际互联网络的骨干网。 基于s e r d e s 的串行通信技术同样被应用于局域网o - a n ) 通信。因为s e r d e s 技术主 要用来实现i s o 模型的物理层，s e r d e s 通常被称之为物理层( p ) 器件。以太网是世界上 最流行的局域网，其数据传输速率不断演变。i e e e 在2 0 0 2 年通过的1 0 g 以太网标准，把 局域网传输速率提高到了广域网的水平，并特意制订了提供局域网和广域网无缝联接的串行 w a np h y 。信息高速公路主要由以光纤作为传输媒体的广域n ( s o n e t ) 和局域网( 以太网) 组成。广域网和局域网分别向近距离和远距离渗透，在城域网( m a n ) 交汇。而且，在广域网 上传输以太网数据包的协议( e t h e m e t o v e r s o n e t ) 使得广域网和局域网的界限更为模糊。最 早用于光纤通信的s e r d e s 技术会继续在信息高速公路的建设中发挥主导作用。 s e r d e s 技术也广泛应用于不断升级的信息存储领域。随着互联网络信息流量的增长， 对信息存储容量的需求也大大增长。目前有三种常用的信息存储方式：直接连接存储( d a s ) 、 网络连接存储( n a s ) 和专用存储区域网( s a n ) 。最简单的直接连接存储是通过小型计算机系 统接n ( s c s i ) 把磁盘驱动器直接连接到服务器上。网络连接存储是把存储设备连接到局域网 而存储信息的传输需要通过局域网进行。s a n 采用光纤信道技术，是连接服务器和存储设 备的专用网络。针对这三种信息存储方式，采用s e r d e s 的串行连接s c s i ( s a s ) 、串行 a t a ( s a t a ) 、光纤信道( f i n e c h a n n d ) 等标准被提出以适应越来越高的存储速率的要求。 计算机和通信技术的融合为s e r d e s 技术开辟了更为广阔的应用前景。s e r d e s 技术 的应用从光纤通信发展到计算机通用y o 接口，其传输媒体也由光纤发展到铜线或背板。 i n f i n i b a n d 是一种采用电缆或背板作为传输媒体的高速串行接口，主要用于数据中心服务器 和存储设备之间的通信。r a p i d l o 是一种面向嵌入式系统的总线结构，有并行和串行两种规 范，主要用于嵌入系统的处理器总线，局部i o 总线及背板。光互联论坛( o ) 制订了多种 光纤通信芯片之间的接口标准，其中公麸电气接口( c e i ) 把背板通信速率提高到6 g 和l l g 的水平。 国际互联网络和信息技术的兴起促成了计算机和通信技术的交汇，而s e r d e s 串行通 信技术逐步取代传统并行总线正是这一交汇的具体体现。在现有的计算机系统中，u s b 2 0 和i e e e1 3 9 4 等串行接口标准已经获得了普及。而作为计算机接口技术从并行向串行的标志 性转变，p c ie x p r e s s 将会取代p c 和p c i x 而成为外围设备( 网络、存储和视频) 的通用高 速接口标准，以改变传统的并行总线技术p c i 成为进一步提高计算机与外围设备数据传输 速率瓶颈的现状。p c ie x p r e s s 是一种基于s e r d e s 的串行双向通信技术，数据传输速率为 25 g 通道，可多达3 2 通道，支持芯片与芯片和背板与背板之间的通信。具体特性见表1 所 示。 p c i 规范 总线宽度 时钟频率 传输速率( 字节) p c i lo 斤行，3 2 位 3 3 m h z 1 3 3 m b p s p c i2 1 并行6 4 位3 3 ，6 6m h z2 6 6 5 3 3m b p s p c i x1 0 并行，6 4 位 1 3 3 m h z1 0 6g b p s p c i x2 o 并行，6 4 位 2 6 6 5 3 3m h z2 1 4 3g b p s p c ie x p r e s s 串行x 1 2 4 8 1 2 1 6 3 2 2 5 g h z0 5 1 6g b p s 表1p c i e x p r e s s 与其他并行p c i 规范比较 中国科学技术大学博十学位论文 高速数字串行通信中的时间抖动研究 在下表中列举了常见的基于s e r d e s 的高速串行接l 】标准特点及其应用领域。 标准组织接口速率主要应用领域 美国国家标准局( a n s i ) ：2 5g b p s ( o c - 4 8 ) ， s o n e t s d h ， 国际电信同盟( i t u t ) 1 0g b p s ( o c - 1 9 2 ) ，广域网( w a n ) ， 4 0g b p s ( o c 一7 6 8 ) 城域网( m a n ) i e e e8 0 2 3 ，1 2 5g b p s ( g b e ) ， 以太网， 1 0 g 以太网联盟( 1 0 g e a )31 2 5 + 4o b p s ( x a u i ) t局域网( l a n ) ， 1 0g b p s ( 1 0 g b e )城域网( w a n ) a n s i 下属信息技术标准国 15 g b p s ， 直接连接存储( d a s ) ， 际委员会( n q c i t s ) ，3 0g b p s ( s a s s a t a )网络连接存储( n a s ) ， t 1 0 串行连接s c s i ( s a s ) ， 10 6 3g b p s ，2 1 2 5g b p s ，储域网( s a n ) t 1 1 光纤信道( f c ) ， 4 2 5g b p s ， 0 g b p s ( f c ) t 1 3 串行a t a ( s a t a ) i n f m i b a n d 行业协会 2 5g b p s ( + 1 ，q ，1 2 ) 服务器，存储设备 r a p i d i o 行业协会 1 2 5o b p s ，2 5g b p s ， 嵌入式系统互连接口 3 1 2 5g b p s ( 串行r a p i d i o ) 光互联论坛( o i f )2 4 8 8 - 3 1 2 5g b p s芯片与芯片及背板的公共接 ( s f i - 4 2 ，s p i - 5 s f l 5 厂r f i 5 ) ，口 4 9 7 6 6 + g b p s ， 9 9 5 一l i + g b p s ( c e i ) 外围设备接口特殊兴趣小组 2 5g b p s ( p c ie x p r e s s ， 计算机，服务器， ( f c i s i g )+ 1 ，+ 2 ，+ 4 ，+ 8 ，+ 1 2 ，工作站，通信及嵌入式系统 1 6 ，* 3 2 ) 表2 常见高速串行接口标准 而1 - - 6 g + s e r d e s 产品为当前高速串行接口标准的主流，其中2 5 g 3 ，1 2 5 g 为第一代产 品，5 g 6 2 5 g 为第二代产品。这些芯片采用o 1 8 微米的c m o s 工艺就可以实现。 1 2典型s e r d e s 的组成和结构 一个典型s e r d e s 收发机由发送通道和接收通道组成，具体结构如图1 所示。 9 中国科学技术太学博十学位论文高速数字串行通信中的时间抖动研究 获一l 引李蕤 数据_ 叫编码器- 卜l 串行器 发送器夕! 辨 输入 一 ，一。 ，一一输出l ，7 l 发送通道 r 、l1 蓊母舯必器 簸 y 、j 图1典型s e r d e s 结构示意围 从图中可见，发送通道由编码器、串行器、发送器以及时钟产生电路组成：接收通道由 解码器、解串器、接收器以及时钟恢复电路组成。其中，编码器和解码器完成编码和解码功 能，其中8 b 1 0 b 、6 4 b 6 6 b 和不规则编码( s c r m b l i n g ) 是最常用的编码方案。串行器和解串 器负责从并行到串行和从串行到并行的转换。串行器需要时钟产生电路，时钟发生电路通常 由锁相环( p l l ) 来实现。解串器需要时钟和数据恢复电路( c d r ) ，时钟恢复电路通常也由锁 相环来实现，但有多种实现形式如相位插植、过剩抽样等。发送器和接收器完成差分信号的 发送和接收，常见的差分信号标准有l v d s 、c m l 和l v p e c l 等。另外还有一些辅助电路 也是必不可少的，例如环路( 1 0 0 p b a c k ) 钡u 试、内置误码率测试等等。 高速串行通信标准制订了严格的性能指标以确保系统的可靠性和互用性。s e r d e s 芯片 的主要性能指标包括抖动产生、抖动容限、抖动转移以及系统误码率( b e r ) 等。抖动产生取 决于时钟发生电路特别是压控振荡器( v c o ) 的相位噪声；抖动容限取决于时钟恢复电路容忍 抖动的能力，而抖动转移是在用作中继器时必须满足的指标，同时取决于时钟发生和时钟恢 复电路的性能。系统误码率( 通常要求低于1 0 1 2 ) 由时钟抖动性能、发送器信号幅度、接收器 灵敏度以及链路信道特性共同决定。对于普通f r 4 印刷电路板而言，趋肤效应和介质损耗 以及符号i a q ( i n t e r s y m b 0 1 ) t - 扰是限制背板传输速率和距离的最主要因素。因此，信号均衡甚 至自适应均衡技术正在成为s e r d e s 芯片的核心技术。信号均衡技术可以在发送端实现， 称之为预加重( r , r c e m p h a s i s ) ，也可以在接收端实现，例如判决反馈均衡。目前采用先进的均 衡技术可以实现4 0 英寸( 1 米) 距离的1 0 g 背板传输。 s e r d e s 芯片的设计需要模拟和数字两方顽即混合信号的设计经验。例如锁相环的设 计，其中压控振荡器属于模拟电路，而检相器和分频器属于数字电路。s e r d e s 芯片普遍采 用低成本、低功耗的c m o s1 艺，但c m o s 工艺往往达不到高速混合信号的速度要求。闪 此设计人员必须采川特殊的高频宽带电路设计技术，例如螺旋电感可以用来提高电路速度和 带宽。另外，模拟和数字电路共存十同一硅片上，容易产生电源同步噪声( s s n l 和地反弹以 及信号串扰。冈此保持信号的完整性是混合信号设计人员面临的一项挑战。与此同时，芯片 封装和印刷电路板的设计与仿真也是s e r d e s 设汁不白j 或缺的一环。当前s e r d e s 设计逐 渐i p 化即s e r d e s 收发器作为商业化i p 模块而嵌入到需要高速i o 接口的大规模集成电 路中。 1 0 中国科学技术大学博士学位论文 高速数字串行通信中的时间抖动研究 1 3 高速背板的现状与挑战 从现有技术发展趋势l 看，基于s e r d e s 的各种高速串行接口通信标准，如l a n 中的 e t l l e m e t ，m a n 和w a n 中的s o n e t s d h ，s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) q 6 的f i b e rc h a n n e l ， 正在会聚成一种可以互操作的技术，目前的趋势是采用1 0 g b i 眺的传输速率的系统【4 i 。 图2各种高速串行接口通信标准的会聚 集成电路厂家利用现有的设备和制造工艺，已经提供了有多种适合1 0 g b i t s 应用的元件 9 j ，如收发器上的高频提升和均衡电路，多种波长的自适应时钟和数据恢复电路等。1 0 g e 标准更加强了这种趋势，使网络通信的速度汇聚成t g - b i t s 和1 0 g b i t s 两个层次。非通信类 的设施，如数据中心和网络存储器也在采用1 0 g b i f f s 的光通道( f i b e rc h a n n e l ) 技术。在这种形 势下，背板成为t e l e c o m 和d a t a c o m 中在技术方面相对落后的部分，但从开发的角度和设备 角度看又是相对地昂贵的部分，已经成为提高传输速率的瓶颈。 现在在速率达到1 0o b p s 的高速背板的标准方面，很多组织都在进行有关标准的研究。 如i e e e 的1 0 g 以太网背板研究小组( 1 0g i g a b i te t i l e m 虬b a c k p l a n es t u d yg r o u p ) 正在进行 利用将1 0g b p s 以太网标准实现在背板上，以包交换为基础的总线标准的研究”】。p i c m g 组织也提出了一系列新的产品规范( p i c m g3 0 ，3 1 ，3 2 ) 【7 】，其特点是在c o m p a c t p c i 总 线之上增加了交换开关组织( s w i t c hf a b r i c ) 以进行数据交换。这样，插件和插件之间可以通过 开关组织同时进行通信而不受分享总线的限制。上述的开关组织可以是单星形、烈星形或网 格( m e s h ) 形的，不同的总线背饭利用j 3 插件将各插槽j 生接到1 个或2 个交换插槽上。此外 a d v a n c e d t c a “1 ( t e l e c o mc o m p u t e r a r c h i t e c t u r e ) 则利用一种全新的结构实现1 0g b p s 的数 据交换。 在1 0 g b p s 的速率一时不容易达到，特别是在经济不太强健的膳况下，许多公司希望把 现有的背板的速率提到5g b i f f s 左，这成为高速背板发展的另一条路线。这是一个是比较 现实的目标，也是h i g h s p e e d b a c k p l a n e i n i t i a t i v e ( h s b i ) 的近期目标【8 】。h s b i 的思路是在 x a u i 基础上，提高x a u i 的线速度并解决x a u i 的互操作问题，并尽量利用现有的设备， 即所谓g r e e n f i e l d 设计思想。由丁要提供先进的p r e e m p h a s i s 和p o s t e m p h a s i s 技术，i o 的 中国科学技术大学博士学位论文高速数字串行通信中的时间抖动研究 速率受到超人规模集成电路的限制，冈此这种路线是根据目前的市场情况，在技术上和经济 上的一种折中，是一种过渡手段。 背板，作为线路一 ( 1 i n ec a r d ) r d 交换开关结构( s w i t c hf a b r i c ) 闻的连接，一直是通信设备的 瓶颈，在背板设计中面临诈多技术挑战。除了硬件技术上的挑战以外，背板的设计还要应付 各种变数，例如各种协议的互操作性。同时功耗也不得不考虑。 除了反射和串扰这些在速度较低时存在的问题外，一些在传输速率提高时凸现的物理现 象，如趋肤效应( s k i ne f f e c t ) 和介质损耗( d i e l e c t r i cl o s s ) ，以及由于信号的时间尺度缩小到 亚纳秒所引起的符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 等都是必须解决的问题。 按问题的严重程度，背板设计可按其数据传输速率分为3 个区域：在传输速率介于1 0 0 m b p s 到1g p s 范围内时，仅仅需要常规的设计，需要关注的包括阻抗匹配误差和时钟、数 据的偏移( s k e w ) 等。在1 9 9 0 年代后期，线传输速率达到了i g b p s ，此时就需要用采用串 行总线，时钟包括在数据中传输。到了2 0 0 0 年代早期，线传输速率达到1 到3g b p s ，这时 候就需要采用预加重( p r e e m p h 8 s i s ) 技术等均衡技术以减少符号问干扰的影响。当传输速 率达到3 到1 0g b p s 时，则不但需要预加重技术，还需要后加重( p o s te m p h a s i s ) 等技术 以达到要求的误码率要求。 影响背板性能的这些问题可以分为两类“1 ：一是与信号电压有关联的问题，如传输线阻 抗，回路电流，反射，y o 器件电容造成的低通效应，s s n t i t 反弹，串扰，连接器s t u b ，趋 肤效应，介质损耗，符号问的干扰，过孔的s t u b 效应等等。另类是同信号时间有关联的 问题，如时钟和数据的时间变化，各管脚阃( 延迟) 时间的变化( s k e w ) ，耦合引起的时间 变化，1 s i 抖动，差分对抖动等等。这些现象随着传输速率的提高，对于背板性能的影响如 下图所示。 图3随着数据率的增加各种因素对于背扳性能的影响示意图 不光是高速背板中，在以电信号作为传播媒介的其他高速串行传输过程中，如使_ ! | 般绞 线的高速串行传输系统中，也会碰到十分类似的问题。 1 4 时间抖动( j i t t e r ) 及其研究意义 在1 3 节对于影响背板性能的各个因素的分析中，暗含着对于高速串行系统分析的两种 中国科学技术太掌博士学位论文高速数字串行通信中的时间抖动研究 方法。 第一种方法是从幅度角度分f j 亍。这时候可以分析高谜信号在经过s e r d e s 发送后，在 经过信道( 本文重点研究以电信号为传播媒介的信道，如背板、双绞线等) 的传输过程中， 由丁介质损耗、趋肤效应、阻抗不连续等因素选成的信号衰减、信号反射、地反弹、各个通 道之间的串扰等等闲素对于信号波形造成的影响，最终反映出来的是在接收端看到的信号的 眼图。在进一步观察眼图的张开情况和具体形状后，得出系统性能的信息。 这种从幅度角度分析的方