信号完整性分析基础系列之二十二—— 自定义二阶PLL

本文介绍了自定义二阶PLL，说明了它如何正确应用于串行数据测量中以提高眼图和抖动测量精度。

抖动定义的是边沿的时序不确定性。为了确定串行数据信号边沿的时序不确定性，边沿需要和一个参考的时钟边沿进行比较。
对于大多数高速串行数据标准，参考时钟是内嵌在串行数据信号里的，在测试时需要从被测信号中恢复该时钟。恢复时钟的方法将直接影响到测量眼图的形状和抖动值大小。

当前一些串行数据标准不仅定义了测量抖动的标准方法，而且也定义了时钟恢复的标准方法。

低频信号边沿的变化可以通过PLL来进行跟踪，最终并没有反应在测量出的抖动上，因为它们被PLL有效地去除掉了。反之，那些没有被PLL去除的低频信号边沿变化就会被测量为抖动。因此，时钟恢复方法的选择影响的既是PLL的跟踪能力，也影响到最终测量到的抖动值。

抖动测量系统中灵活的时钟恢复不仅帮助支持规范标准定义的测量需要，而且可以作为一种强大的分析工具，使得您可以预测出真正的接收机的性能。

PLL如何适应信号变化

为了补偿串行数据流中缓慢的时序的变化，软件时钟恢复方法可以产生参考边沿位置，并且它会根据低频的波形漂移相应地进行缓慢地调整，同时可测量出高速抖动。如图1所示，利用定义好的截止频率，根据参考边沿时序变化速率的增大或减小来跟踪信号速率的缓慢变化。软件PLL带宽以下的边沿时序频率成分被追踪，而高频抖动部分通过了软件滤波器，用以测量出高频抖动值。

 
图1  参考始终边沿的缓慢变化来跟踪信号的缓慢变化

下面图2表示的是一个单极点PLL，它可以跟踪低频调制，而高频的调制并没有被跟踪，被作为抖动测量出来。单极点的低通滤波器的滚降曲线是逐渐变化的过程，使得在交叉区域有一个比较大的频率范围，这部分的频率既是被跟踪也被测量为抖动。

 
图2  单极点的PLL和JTF

二阶PLL的应用

相应地，单极点PLL的缓慢的滚降速率带来了抖动传递函数（jitter Transfer Function,JTF）的限制。为了确保高频抖动在低频端被截止,同时最大程度地通过抖动传递函数JTF，则需要更高阶的PLL。

在一些高速串行数据的标准，如PCI Express,Serial SATA和SAS中，需要通过扩频时钟（SSC）技术来减少EMI发射干扰。SSC调制的频率是在低频范围内，大约30-33KHz。图3表示的是在有SSC时，没有采用二阶PLL测量的眼图。该眼图波形被SSC调制后，基本的抖动和眼图测量都不正确。采用一个2阶PLL，如图4所示，用户可以输入自然频率和阻尼系数来减少交叉区域的大小，最大程度地阻止频带内的衰减。

 
图3 有SSC时，用一阶PLL测量到的眼图

 
图4 自定义二阶PLL的设置界面
       

图5 有SSS有，采用二阶PLL测量的眼图

图5表示相同的信号，但是采用了二阶PLL，将自然频率设置为1MHz，阻尼系数设置为0.707时的眼图。二阶PLL使得低频截止得很快，同时有更好的传递函数，有能力跟踪PLL带宽范围内的线性相位和频率变化。
  
结论

参考时钟恢复函数是抖动测量的基本部分，该函数的特性影响到追踪的能力和测量到的抖动值大小。PLL的跟踪能力对于有SSC时准确测量眼图和抖动是很重要的，而且抖动传递函数的高通截止频率控制了测量的抖动值。从这个方面来说，抖动测量系统可以用于仿真串行数据接收机的工作，因此，真正的接收机的性能可以准确地进行预测评估。