Перекрёстные помехи в линиях передачи: детальный обзор

7 августа 2017
Что нужно знать о перекрёстных помехах? Что такое перекрёстные помехи, и почему они так важны? Откуда они берутся? Что такое FEXT и NEXT? Как влияют перекрёстные помехи на работу схемы?
Эрик Баббэ (ErikBabbé), руководитель направления по продвижению решений для тестирования цифровых устройств, KeysightTechnologies

 Проверяя канал передачи, инженеры в идеальном случае хотят получить широко открытую глазковую диаграмму и обеспечить безошибочную передачу данных. Однако этому могут препятствовать нежелательные эффекты, один из которых -  перекрёстные помехи. На высоких скоростях и в условиях высокой плотности монтажа на печатной плате влияние перекрёстных помех становится особенно заметным. Высокие скорости передачи и плотный монтаж характерны для таких интерфейсов, как Ethernet100Gс 4 параллельными каналами по 25 Гбит/с, или для специализированных ИС с сотнями последовательно-параллельных преобразователей (SerDes). Для борьбы с перекрёстными помехами нужно знать, что это такое и как они возникают.

Чтотакоеперекрёстныепомехи?
Перекрёстные помехи представляют собой одну из форм искажения сигнала, а именно, некоррелированную со структурой данных амплитудную помеху. Чистый сигнал может подвергаться воздействию перекрёстной помехи со стороны другого (воздействующего) сигнала из-за паразитных связей. Воздействующий сигнал искажает форму чистого сигнала и закрывает его глазковую диаграмму (рисунок 1). Это может привести к сужению запаса по характеристикам, к потенциальному нарушению требований спецификаций и даже к невозможности выполнить измерение. Кроме того, перекрёстные помехи ухудшают амплитудные характеристики и увеличивают джиттер сигнала, подверженного воздействию помех, что порождает проблемы совместимости в канале связи.
 
Рисунок 1. Глазковая диаграмма чистого сигнала и сигнала, подверженного воздействию помех.
  1. Без перекрёстных помех
  2. С перекрёстными помехами
 Источники перекрёстных помех
Двумя самыми распространёнными источниками перекрёстных помех являются линии передачи и источники питания (рисунок 2). Линия передачи может влиять как на другие линии, по которым передаются последовательные данные, так и на источник питания устройства, вызывая закрытие глазка разного рода. Помехи, создаваемые источником питания в линии передачи последовательных данных, могут способствовать увеличению шума и джиттера.
 
 
Рисунок 2. Источники перекрёстных помех и их влияние на последовательные данные и источник питания.
  1. Источники перекрёстных помех
  2. Линия передачи
  3. Последовательные данные, подверженные воздействию помех
  4. Источник питания, подверженный воздействию помех
  5. Перекрёстные помехи на ближнем конце (NEXT)
  6. Перекрёстные помехи на дальнем конце (FEXT)
  7. Синхронно коммутируемые цепи (SSN)
  8. Закрытие глазка, увеличение джиттера
  9. Выбросы в цепях земли, просадка питания
  10. Джиттер от источника питания (PSIJ)
  11. Зависящий от напряжения амплитудный шум (VDAN)
  12. Увеличение джиттера
  13. Закрытие глазка
  14. Источник питания
 Перекрёстные помехи от линий передачи
Перекрёстные помехи от линий передачи проявляются как электромагнитные помехи между близко расположенными компонентами. Параллельные друг другу линии передачи могут порождать перекрёстные помехи из-за взаимной ёмкости и индуктивности, которые передают энергию сигнала из одной линии на другую. Емкостная связь порождает ток, протекающий в обоих направлениях, тогда как индуктивная связь порождает ток, протекающий только в обратном направлении. В сумме эти два тока усиливают ток, протекающий в обратном направлении. Обратный ток возвращается в передатчик и называется перекрёстной помехой на ближнем конце (NEXT). Остаточный прямой ток поступает в приёмник и называется перекрёстной помехой на дальнем конце (FEXT) (рисунок 3). Амплитудаиформаэтихсигналовмогутсильноотличаться.
 
Рисунок 3. Влияние NEXTи FEXTна устройство, подверженное воздействию помех, (слева) и эквивалентная схема перекрёстных помех линии передачи (справа).
  1. Воздействующий сигнал
  2. Сигнал, подверженный воздействию помех 
На рисунке 4 приведён пример искажения глазковой диаграммы сигнала, вызванного помехой NEXTсо стороны воздействующего сигнала, который порождает ток, протекающий навстречу рассматриваемому сигналу. Положение фронта воздействующего сигнала не совпадает с фронтом сигнала, подверженного воздействию помех, и скорость передачи данных воздействующего сигнала и их структура отличаются от сигнала, подверженного воздействию помех, что приводит к размытию глазковой диаграммы.
 
Рисунок 4. Помеха NEXTсо стороны воздействующего сигнала проходит в противоположном направлении относительно сигнала, подверженного воздействию помех.
  1. Сигнал, подверженный воздействию помех
Помеха FEXTраспространяется в том же направлении, что и сигнал, подверженный воздействию помех. Воздействующий сигнал имеет ту же скорость передачи и структуру данных, что и сигнал, подверженный воздействию помех. В этой ситуации глазковая диаграмма сигнала, подверженного воздействию помех, деформируется (рисунок 5) из-за влияния воздействующего сигнала на фронты и положение битов.
 
Рисунок 5. Помеха FEXT со стороны воздействующего сигнала проходит в том же направлении, что и сигнал, подверженный воздействию помех.
  1. Сигнал, подверженный воздействию помех
Кроме того, линии передачи могут влиять на источники питания через коммутирующие компоненты, порождая шум синхронной коммутации (SSN), выбросы в цепях земли и просадки питающего напряжения (Vcc). Индуктивность порождает отставание тока, протекающего между устройством и землёй платы. Это происходит в тот момент, когда сигнал последовательных данных меняет состояние, и протекающий через индуктивность ток создаёт падение напряжения. Чем в большем числе линий одновременно меняется состояние сигнала, тем больше будет падение напряжения. Этот эффект приводит к тому, что линия передачи создаёт шум непосредственно в цепи земли устройства, порождая выбросы. Выбросы в цепи земли могут передаваться в другие цепи в пределах устройства, порождая джиттер и приводя к закрытию глазка (рисунок 6).
 
Рисунок 6. Воздействующий последовательный сигнал порождает выбросы в цепи земли, которые проявляются в виде выбросов питающего напряжения устройства, подверженного воздействию помех (жёлтая кривая). В отсутствие воздействующего сигнала выбросы исчезают (красная кривая).
1.    Воздействующий последовательный сигнал
2.    Питающее напряжение устройства
3.    Питающее напряжение в отсутствие воздействующего сигнала
 
Перекрёстные помехи от источника питания
Джиттер, вызванный источником питания (PSIJ), обусловлен высокочастотным шумом и низкочастотными пульсациями напряжения источника. Воздействуя на систему ФАПЧ, шум преобразуется в джиттер, приводящий к горизонтальному закрытию глазка сигнала, подверженного воздействию помех (рисунок 7).
Зависящий от напряжения амплитудный шум (VDAN) тоже влияет на последовательные данные, подверженные воздействию помех, добавляя шум от источников опорного напряжения. Уровень логического нуля обычно привязан к земле, тогда как логическая единица привязана к напряжению питания, поэтому шум, присутствующий в цепи земли или питания, будет влиять на уровень логического нуля или логической единицы. Приведённый ниже пример демонстрирует нарастание уровня логической единицы и воздействующего сигнала Vcc, а также показывает сигнал логического нуля. Уровень единицы и воздействующего сигнала Vccимеют схожее нарастание амплитуды, что создаёт перекрёстные помехи и влияет на последовательные данные. В данном случае уровень логического нуля не затрагивается, что порождает размытый верхний уровень глазковой диаграммы. Закрытие глазка по вертикали и горизонтали показано в правой части рисунка 7.
Рисунок 7. Схожее нарастание уровня логической единицы и воздействующего сигнала Vcc (слева). Размытие уровня единицы глазковой диаграммы, вызванное воздействием сигнала Vccна уровень логической единицы (справа).
1.    Логическая единица сигнала, подверженного воздействию помех
2.    Воздействующий сигнал Vcc
3.    Логический ноль сигнала, подверженного воздействию помех
4.    Размытый уровень единицы
 
Читать статью в оригинале
Источник: Keysight Technologies

Оставить комментарий