摘 要： 基于机载航电系统高速串行通信的基本架构介绍了抖动的分类和抖动分析常用的方法。结合实际情况对某案例进行测试和分析，通过眼图、直方图和浴盆曲线分析找出抖动的根源并给出解决方案，达到了预期的效果。本文所介绍的方法可以广泛应用于航电系统以及其他领域的高速串行通信中的抖动分析。
关键词： 高速串行通信；抖动分析 眼图；信号完整性
随着现代战争越来越复杂的要求，新一代航空电子系统中开始要求大信息量的实时数据在设备间的传输，新一代飞机的航电系统数据处理能力要较目前提高2~3个数量级，为了匹配数据的实时传输和系统处理速度之间的关系，数据总线的通信速率需要比三代机至少提高1 000倍，达到近千兆比特的传输速率。比如，美军的四代战机就采用了数据率为400 Mb/s的点对点光纤链路实现传感器到通用综合处理机(CIP)及CIP到座舱控制显示系统的高速数据传输；RAH-66侦察攻击直升机也使用了数据率为800 Mb/s的光纤传感器数据分配网络传输来自驾驶员视野系统、目标搜索系统和毫米波雷达的数据[1]。
以AFDX、PCIE为代表的高速串行数据总线传输方式越来越多地应用在目前机载航电系统中。其中航空全双工交换式以太网AFDX（Avionic Full Duplex Switched Ethernet）最大传输速率可达100 Mb/s。PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express)从2002年推出1.0 版到现在已经从2.5 Gb/s的速率提升至8.0 Gb/s，目前也是广泛地应用于航电系统中大数量数据传输。此外在机载显控系统中，以DVI、HDMI和LVDS为代表的视频接口也得到越来越广泛的应用[2]，上述接口的原理都是基于数据串行编解码和串行通信发送。
与高速并行总线相比，高速数字串行通信采用时钟恢复技术，把时钟信号嵌入到串行数据信号中，从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题，数据率可以达到10 Gb/s以上[3]。串行数据信号以如此高的速率来传输，带来一系列信号完整性问题，这些问题除了信号质量上的问题，还包括时序上的问题，这些问题在传统的并行传输系统中由于低速率很少出现，而在基于高速串行接口的互连设计中，互连通道的信号完整性问题以及相应的解决措施是设计者不可忽视的关键因素之一[3-5]。
本文基于航电系统高速串行通信中遇到的信号完整性问题，介绍了评估高速串行通信系统性能的重要手段，即抖动分析。文章介绍了抖动的形成原理、分类以及分析方法，针对某高速串行通信中遇到的相关问题进行抖动分析，并基于此给出解决方案。
1 抖动
1.1 抖动的定义
参考文献[6]定义抖动如下：抖动可以定义为数字信号在重要时间点上偏离理想时间位置的短期变化。从图1可以看出，在理想参考时钟的采样下，串行数据位在时钟上升下降沿处都会有少许偏差，即抖动。
1.2 抖动的分类
抖动是复杂的统计信号，具有很多不同的分量，图2显示了抖动的分类模型[4]。
由参考文献[4]可知：假设所有的抖动分量是相互独立的，总抖动概率密度函数PDF(Probability Density Function)是各抖动分量PDF的卷积，公式如下所示：
图3所示为随机性抖动和固定性抖动的卷积，结果即为总抖动。在常见的航电高速串行通信中，基本会涉及各种数量所有类型的抖动，从而导致传输信号质量的变差。分析抖动的目标之一是从总抖动中分解识别出各个抖动的成分，进而分析引起抖动的根源。
1.3 抖动的常用分析方法
1.3.1 直方图
直方图是用一系列宽度相等和高度不等的长方形表示数据的图，在统计学上是常用来表示样本各组概率分布的一种直观的图表。直方图描绘了数据或者参数值在一个确定范围内出现的概率，直观地显示了参数的波动情况。直方图可以反应出一些在眼图中无法辨别出的抖动特点，所以它在了解电路和诊断抖动类型方面是相当有用的。
1.3.2 浴盆曲线
浴盆曲线是另一个反映抖动的手段，如图4所示，之所以这样称呼是因为它的特征曲线看起来像一个浴盆。浴盆曲线的y轴是误码率，x轴是采样时刻，范围是一个单位间隔UI（Unit Interval）。
浴盆曲线显示出的是在感兴趣的误码率水平下的传输误差范围，浴盆曲线的两条线是和来自直方图的尾部高斯函数直接相关的[7]。在抖动分析中，浴盆曲线用来分析随机抖动和确定性抖动，同时确定随机抖动的均方根值。
1.3.3 眼图
眼图为串行数据流的整体特征和信号质量的最直接反映。传统的并行系统中，测量若干个读写周期内的信号质量基本就可以确定整个信号传输系统的工作情况。而在高速串行互连中，由于信号传送的速率高并且每个传送周期内的信号质量存在一定的差异，因此需要对大量周期信号进行取样测量。多周期的信号在采样时钟时刻点不断地叠加形成眼图，从眼图中可以对信号质量各项指标进行测量。高速串行通信中的抖动体现在眼图交叉点的变化范围，抖动越大，交叉重叠的部分越多，交差点越宽，如图5所示。
从眼图中还能看到信号的高低电平幅度以及由反射引起的上冲及下冲等信号完整性的因素。除了直接在眼图中读取眼高、眼宽等指标来判断信号是否合格外，还可以利用眼图模板迅速得到判断结果。眼图模板定义为一个闭合区域，一旦眼图中有落入到该区域中的点，即判断信号不合格。
2 航电系统常见串行通信架构
2.1 高速串行通信基本架构
任何串行通信系统都是由发送器、信道和接收器3个基本部分组成，如图6所示。对于有线和无线通信系统都是如此。
在串行通信系统中，数据在铜电缆或者光纤上传送。在发送端，时钟的生成通过锁相环的倍频来实现。在接收端，用时钟恢复电路恢复出位时钟来对接收数据进行重新采样。
2.2 基于背板的高速串行通信架构
图7所示为常见的机载设备中的一个背板互连系统，高速串行信号的传输将经过芯片封装（发送芯片和接收芯片）、印制板走线（包括子板和背板）、过孔和连接器等，共同组成高速串行通道。
在这种高速串行通信系统中，PCB走线以及接插件过孔将成为主要的抖动产生因素。背板有很大的通孔，高速率信号经过这些通孔进入连接器。当子板在插入背板后，导致背板的走线阻抗有所减小，进而要求较大的电流。激励电流的增加会产生多余的能量，这些能量会耦合到其他信号传输通道、电路、子系统或自由空间中，进而引起信号相互之间的噪声和抖动。
一般来讲，要严格控制PCB走线的单端阻抗和差分阻抗。以LVDS信号为例，单线阻抗需要控制在50 Ω，差分阻抗需要控制在100 Ω，同时接收端的端接匹配阻抗要保证为100 Ω。连接器的安装空间中或输出的引出端里尽可能多设置接地点，最好每个信号插针附近都有一个地插针。
2.3 基于电缆的高速串行通信架构
图8所示为基于电缆的高速串行通信架构，也是机舱里常见的信号通信连接方式。其中设备内的电路单板在上一节讨论过，设备之间的信号是通过电缆或者光缆来传输的，这也是抖动和噪声产生的另一个主要因素。
对于铜轴传输电缆来说，产生抖动的主要原因是趋肤效应和电介质损耗。趋肤效应对信号传输来说就像是一个阻值很大的电阻，频率越高，趋肤效应越明显，在赫兹级频率下，影响铜缆的主要挑战是趋肤效应[5]。电介质损耗是当电缆中流过频率非常高的电流时，高速变化的电流会导致介电材料分子的运动，这种运动所需要的能量就从信号中吸取得到，从而造成信号的变形，进而引起噪声和抖动。
光纤比铜缆在损耗方面具备更大的优势。色散和偏振模色散是光纤中引起噪声和抖动的两个主要因素[5]。
3 抖动分析与解决方案
在图8所示的某机舱航电高速串行信号系统中，测得电缆接收端的眼图如图9所示。其中传输的信号为DVI信号，频率为480 MHz。在实际情况下，该DVI视频信号在接收端显示效果达不到要求。从眼图中可以看出，信号质量不是很理想，除了有过冲和振铃外，抖动也非常大。为了分析抖动的来源，用示波器同时测得该信号的抖动直方图和浴盆曲线如图10所示。
从直方图分析，该分布相当于高斯分布和单一分布的结合，其中高斯分布占主要部分。高斯分布表明这是一种随机抖动，在大多数电路中其来源主要是系统的热噪声。而单一分布则表明抖动是由码间干扰造成的，由连接器、电缆以及通道中的信号转换带来的反射以及驱动器和接收器的有限带宽造成的抖动是码间干扰的主要成因。
从浴盆曲线上可以看出，接收端所存在的抖动中确定性抖动较小，而随机抖动占的比例比较大。确定性抖动最常见原因包括反射、串扰、开关噪声以及电磁干扰EMI，而随机抖动的主要来源是热噪声。
无论直方图分析还是浴盆曲线分析，都表明热噪声是造成信号抖动的主要原因，同时信号在传输过程中也存在反射、串扰等因素。
热噪声是由于电路中的电荷载流子的随机运动所产生的噪声，任何电路都无法避免。因此在解决上述抖动问题的过程中，结合实际情况主要把精力放在针对确定性抖动做了相关的改进。采取如下步骤。
（1）在电缆接收端加入均衡器改善接收信号质量；
（2）用铜轴电缆取代双绞线电缆；
（3）PCB走线确保信号线的等长性和阻抗一致性，并将走线信号避开时钟线、电源等干扰源。
通过上述改进，信号的噪声和抖动得到了一定程度上的改善，从显示效果上来看，已经找不到瑕疵了。改进后的接收端眼图如图11所示，从图中可以看出，抖动有了较大的改善，过冲仍然存在，但较之前有了很大的优化。
新一代飞机航电系统的数据通信能力要比上一代提高2~3个数量级，面对这种要求和挑战，高速串行数据通信方式越来越广泛地应用在机载航电系统中。随之带来的问题是高速串行信号在电缆传输中带来的反射、过冲和噪声抖动。本文介绍了常见的机载航电系统高速串行通信的架构，同时对抖动进行了详细的分类，介绍了常用的抖动分析方法。
本文结合机载航电系统实际情况，分析了某高速串行通信系统的案例。通过眼图、直方图和浴盆曲线分析了信号的传输质量以及抖动的根源，基于分析结果作了相应的措施并进行改善，最终结果表明，改善的措施完全达到了预期的目标。本文介绍的方法具有普遍性和应用性，可以用于各个高速串行通信的领域。
参考文献：
[1] Moir I，Seabridge A.军用航空电子系统[M]．吴汉平，译．北京: 电子工业出版社，2008.
[2] 孙少伟，曹峰.DVI在机载雷达信号传输与终端显示中的应用与研究[C]．第五届中国航空学会青年科技论坛，2012.
[3] 李丽平．高速串行互连中的抖动分析[D]．西安：西安电子科技大学，2009．
[4] Li M P．高速系统设计—抖动、噪声和信号完整性[M]．李玉山，潘健，等，译．北京：电子工业出版社，2009.
[5] Bogatin E．信号完整性分析[M]．李玉山,李丽平，等，译.北京:电子工业出版社，2005.
[6] ITUT G.701.Vocabulary of digital transmission and multiplexing，and pulse code modulation(PCM)terms[S]International Telecommunication Union．March 1994.
[7] 樊渊皓.基于Tailfit算法的抖动分离与浴盆曲线的研究[D].西安：西安电子科技大学，2011．