CN100370261C - 用于确定码间干扰以估计数据相关抖动的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于显示串行数据波形的基本无噪声段的方法和设备，该方法包括以下步骤：将采集的波形分成多个波形切片，并根据先于被观测比特值的至少一个N比特值序列，将所述多个波形的每个切片分类。然后，对每个分类中的波形切片取平均，生成每个类别的平均图案。然后以重叠方式在显示器上显示各所述平均图案。

Description

用于确定码间干扰以估计数据相关抖动的方法和设备

相关申请的交叉参考

本申请要求于2002年10月18日提出的美国临时专利申请60/419507的权益，该临时专利申请的全部内容在此作为参考引入。

发明领域

本发明涉及一种通过对在数字示波器或波形数字转换器中采样得到的数据通信信号的长期存储记录进行分析，以获得数据相关抖动估计，从而确定码间干扰(ISI)的方法和没备。

发明背景

在任何数据或通信信号中，信号中的码间干扰是引起垂直和水平信号变化的因素。其基本效应是后续数据码元的形状和定时受在前码元的精确序列的影响(或具有在前码元的精确序列的记忆)。即，在示波器上眼图显示的具体应用中，被观测的比特间隔的直接在前码元影响随机比特的被观测比特间隔的眼图。

因此，在处理数据通信信号时，以及在示波器上查看眼图时，说明这种干扰将是有益的。

发明概述

根据本发明，提供了一种方法和设备，用于根据对所观测的通信信道的一次采集或记录中获得的数据进行分析，以分离引起ISI的各种因素。通过分离此系统或确定性因素对定时误差的影响，以及重新计算“消除了”这种误差的定时误差系列，可获得较接近非ISI因素引起的抖动的表示。

根据说明书和附图，会在一定程度上清楚本发明的其它目的和优点。

因而，本发明包括几个步骤和这些步骤中的一个或多少步骤相对于其它每个步骤的关系，以及体现适于执行所述步骤的结构特征、单元组合和部件配置，所有这些都在下面的详细公开中予以举例说明，而本发明的范围则在权利要求中提出。

附图的简要说明

为了更全面地理解本发明，可以参考如下说明和附图，附图中：

图1是所记录的数据信号的表示；

图2是眼图的屏幕画面(screen shot)；

图3是根据本发明显示各平均波形的屏幕画面；

图4是图3的屏幕画面所示的交叉分布的特写视图；

图5是一个眼图表示及其垂直切片表示；

图6是删除可归因于ISI的误差之后图5的垂直切片表示；

图7是图6的分布的图形表示；和

图8是图5中眼图的水平交叉部分。

优选具体实施例的详细说明

下面详细描述根据数据通信信号的长期存储记录确定ISI(码间干扰)以获得“数据相关抖动”估计的方法和设备。

本发明可被称为“切片式-图案-平均器”(sliced-pattern-averager)，因为本发明包括一种方法和没备，用于分析理解数据或通信信道的大量记录、一系列信号平均的信号(或波形)，每个平均信号特定于一个特定的在前码元状态图案或序列。由于这种过程的结果是平均结果，且已使用与理想恢复接收时钟相关的定时来取平均(即时钟提取器(extrator)可选地结合“最佳PLL(goldenPLL)”或任意的PLL)，因此它们表示信道对指定图案的基本无噪声的响应形状。

根据本发明，下列结果是采用本发明的信号分析所独有的：

1.可确定通信信道中抖动的特定ISI分量、系统垂直变化的特定ISI分量。

2.产生并显示与眼图相似的图形，而该图形基本无随机噪声，因为所显示的信号是“平均信号(signal averaged)”，所以显著地抑制了非系统的或随机的、影响。

3.可确定对抖动分布的ISI扰动的水平分布，其可用作用于抖动分布去卷积的工具，以达到分离和识别码元相关和非码元相关抖动的幅度和形状的目的。

4.还可提供ISI扰动的垂直分布，此垂直分布周作垂直变化分布去卷积的工具，以便达到分离和识别码元相关和非码元相关抖动垂直噪声的幅度和形状的目的。

根据第一实施例，这种方法和设备依赖于系统“时钟”的提取和使用。然而，根据另一个具体实施例，使用或者不使用系统时钟，本方法和设备均可获得理想的结果，因为系统时钟可通过分析记录数据来提取，或者从所述系统时钟的同时记录中直接获得。通过分析记录数据提取系统时钟可参见于2003年9月29日提出的、题为“用于分析串行数据流的方法和设备(METHOD ANDAPPARATUS FOR ANALYZING SERIAL DATA STREAMS)”的共同未决美国专利申请No.10/673735，此专利申请的全部内容通过引用结合于本文中。

根据本发明，充分利用了包含在长期数字记录信号中的信息。首先，捕获包含串行数据通信信道的许多“码元”或“比特间隔”的信号。关键是，记录品质应该与被观测的现象一样精确，或比其更精确，因为记录的品质限制了对抖动和垂直噪声的刻划。在此情况下，垂直噪声和时基“抖动”必须是高品质的。即记录信道必须在被测数据信号上添加最小量的垂直噪声和抖动。

如美国专利申请No.10/673735中所述，首先就门限交叉对长期记录进行分析，并且假如(如通常的情况)被测信号是数据通道而非时钟，则交叉与虚拟时钟边沿相关联。

在其它计算时间间隔误差(TIE)的情况中，查找精确提取的时钟沿时间的相关信息，并根据此信息，可以以与所述虚拟恢复(预期)时钟相关联的“正确”定时显示原始波形的一个小子集。这个过程可包含预期虚拟时钟定时反馈，并因此模拟时钟提取电路(或甚至根据某通信标准得“最佳PLL(golden-PLL)”等)的存在。

假定确定了理想时钟，将记录数据的部分如图1所示那样组织。如图1所示，一个假没的数据流100包括多个比特间隔105。数据值线110、111、112、113表示基于在前比特间隔的当前比特间隔105的可能的状态。例如，在比特间隔105a中，假如此间隔末端附近的值在位置106上，则对于比特间隔105b，值要么可保持不变，因而后续值取110，要么可下降，因而后续值取111。或者，假如在比特间隔105a的值在位置107上，则对于比特间隔105b，值要么可保持不变，因而后续值取112，要么可上升，因而后续值取113。

当多个位间隔比特间隔彼此在顶部重叠时，由于对每个比特间隔而言仅有少量的可能路径，因此显示了所有的可能路径。因此，从存储的数据信号中提取的以及在持续显示中重叠的比特间隔数据形成如图2所示的显示画面。图2显示了一个眼图示例，该眼图是根据采用LeCroy^@Wave Master 8500以20GS/s记录的一个2.48832吉比特/秒的记录信号OC-48形成并按照上面提到的美国专利申请No.10/673735的方法和设备加以处理而得到的眼图。

给定这些子集表示，可将包含许多码元宽度或比特间隔的长期存储记录重新表示为大量较小的波形，每个波形关联在与系统时钟相关联的某个精确时间上。

根据本发明，并不如图2所示将所有这些信号组合到一个持续显示(persistence display)中，而是分析有关在被观测比特间隔前的N个间隔及其后一个比特间隔的信息。就N个在前间隔及一个在后比特中每个比特间隔(在虚拟提取系统时钟时间之间)中心上的NRZ状态对信号进行分析，以获得波形的每个小记录(子集或“切片”)的确切比特序列。基于M比特的特定图案，将每个被观测比特置于2^M个类别之一中，其中所有其它被观测“切片”具有相同的M比特图案。当将每个被观测切片添加至2^M个类别之一中时，更新与精确图案(M＝N+1+1)比特相关联的平均值。从而，2^M个平均类别中每个类别的平均值将由对N个在前和P个在后间隔而言具有相同值的所有值比特间隔的平均值构成，其中N最好为6(但可从3变化至10，或任何其它期望的比特数量)，P最好为1(但也可是任何其它期望的数量)。注意，平均过程是有效上采样平均或具有比原记录更高有效采样率的平均。这仅意味，对于每个图案平均，存在一个以上的平均缓冲器，因此，为了将最终的平均结果归一化，需要进行适当的统计。

一完成对全部长期波形记录的分析，就可为2^M个类别中的每个类别提供一个平均波形。随后将可能的2^M个图案中每个图案的平均波形叠加在一比特间隔显示上。全部2^M个平均完整并不是必要条件。整个显示(缩放比例与先前显示的持续显示的一样)显示在图3中。例如，每个平均结果显示为单一线条310，而不是显示为图2中的值云图(cloud of values)。因此，此重叠显示在比例上与利用所有相同信息可形成的眼图相同。然而，垂直和水平随机度因与比特图案(2^M个序列)不一致而被平均“化”或基本上被从图中删除。在图3中，对于M＝5的例子，将可定性地“看到”的每个形状分成32条细线310(2⁵＝32)。这种显示表示的水平交叉部分(上述细线越过第(M-1)个比特间隔与第M个比特间隔之间的门限的时间集合)产生精确的水平分布，此分布是确定性ISI抖动分布。同样地，显示的垂直交叉部分将产生垂直变化的固定的确定性分量。

此过程以及用于执行此过程的设备可提供与用于分析许多小采集量相比非常快速的响应(基于一个大采集量)。进而，响应的品质不依赖于记录装置的触发稳定性，而是依赖于记录装置的时基(采样间隔)稳定性。在实际的实施方案中，使采样间隔稳定性非常小容易得多。

对得到的无噪声形状的进一步分析提供两个用于理解通信信道的重要测量值。如图4所示，通过对整组(2^M个)波形的分布执行定时分析来获得这些测量值，以获得交叉分布的峰-峰变化在其上最窄(在时间上最小)的电平，以及在与通信信号规范相关的指定垂直门限条件下的峰-峰变化。前者称为“眼-交叉-电平”(eye-crossing-level)而后者称为数据相关抖动DD_j。

本发明提供的分析方法有许多相关的显著优点。本发明提供了一种用于获得ISI对垂直和水平信号变化(抖动和噪声)的影响的新方法和设备。不象其它通过激励或控制被测数据流，采用数字采样示波器(与单显示器或实时数字振荡器相反)来测量无噪声码元响应的现有技术方法，这种方法不需要特定的可控激励。确切地说，它将来自任何(PRBS、恒定图案、真随机...或甚至“实时”中的任一种)数据流的信息分类。它的商业价值在于快速地确定基于ISI的确定性抖动和噪声，并且无需统计假设。此方法提供了非常有用的显示，便于理解定时变化性质以及不然会隐藏在噪声中的垂直波形特征。通过这种分析开辟了另一种先前未探索过的途径。通过仔细地分析两个非常特殊的图案(100000...和011111...)平均的差分脉冲响应，可了解ISI物理现象的时域和频域本质。

表示无ISI影响的抖动

基于上述信号平均器，本发明对数据或通信信道的一次时间间隔误差(TIE)分析的结果执行第二“遍”分析。在此第二遍分析中，对估计的因正在考虑的比特间隔的上升沿或下降沿的在先比特历史引起的系统影响进行补偿，降低了不然会以普通方式确定的TIE，从而将该在先历史纳入了考虑。因此，对由特定比特间隔之前或之后的值造成的任何固有误差进行了纠正。所得到的TIE的值序列是一组具有较低总体变化的测量值，因为已从中删除了ISI的系统影响。

此特点非常重要，原因如下：

1.除了受相干或不相干假设不利影响的统计分析以外，没有其它(常用)方法来消除抖动测量中ISI的影响(按照现有技术，缺乏以精确方式控制数据序列的手段)。

2.一旦从抖动测量值中消除ISI(或数据相关)的影响，便可简化剩余分析；即它受竞争现象“污染(polluted)”较小。

3.在实用意义上，已知ISI与传输介质(电缆或光纤等)密切相关。因此，从抖动测量值中消除此分量，就可以揭示未受传输介质影响的系统本质。

因此，通过充分利用数据信号的长期记录，便可提取时间间隔误差数据，识别数据中的图案，并且确定与所述图案相关的系统影响的分布。由此信息，对数据进行再分析可提供无噪声的信号，此信号表示在不存在码间干扰(ISI)时数据信道特性。

由ISI的系统影响构成的信息被从原始测量值中去除。因此，可观测到抖动的直方图(概率分布函数即PDF的近似)或不受数据相关因素影响的情况下抖动的频率特性(即服从傅立叶分析)。

下面参考图5说明应用本发明的方法和设备的例子。图5显示了眼图500和沿该眼图的多个垂直切片510(仅标出其中两个)提取的该眼图的表示505。眼图的垂直切片表示沿眼图500的水平中心520提取的信号垂直变化的分布515。分布515显然不是高斯分布的，而是由结合系统垂直变化的许多接近高斯(随机)分布构成，系统垂直变化可以通过如上所述分析ISI图示的相同垂直交叉部分来刻划。

一旦如上所述根据本发明通过使用2M个平均值进行平均处理，从而从图5所示分布中消除ISI引起的误差，便可以得到例如图6所示的垂直分布。从图6可以看出，由未显现ISI的信号得到一对垂直噪声分布610a、610b，因而不会显示复合垂直噪声分布形状。其它影响可包括不涉及信号序列或甚至比特率的周期性干扰。从误差分布中消除了ISI影响时，分布仍然可能失真。不过，可通过常规方法(例如用于预测BER的Q因子(Q-factor)方法)对剩余分布进行更正确的分析。

图7显示了图6中的两个高斯分布的图形表示。这是根据本发明的“Q因子”的简化概念所基于的垂直噪声分布类型。根据所确定的该Q因子，可确定垂直噪声所致的比特误码率的简单估计。Q因子(或信噪比)由下式给出：

$Q=\frac{{\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_0}$

假定各分布的特性符合高斯分布，可用于获得由垂直噪声引起的比特误码率(BER)的估计，BER通过判决门限V_th(即硬件接收时，确定接收的是1还是0的门限电压，使得V(t)＞V_th时判决检测到二进制1，而V(t)＜V_th时判决检测到二进制0)来表示。

$\mathrm{BER}\left(V_{\mathrm{th}}\right)=\frac{1}{4}(\mathrm{erfc}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_1-V_{\mathrm{th}}}{\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_1}\right)+\mathrm{erfc}\left(\frac{V_{\mathrm{th}}-{\mathrm{\μ}}_0}{\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_0}\right))$

其中“erfc(x)”是“补(complimentary)误差函数”，被定义为：

erfc(x)＝1-erf(x)

其中erf是本领域普通技术人员熟知的标准误差函数。此估计主要基于如下假设：两个平均数μ₁和μ₀的变化表现为高斯分布。与本发明相关的此估计的优点在于：通过形成2^M个图案中每个图案的持续映象(persistence map)以及这些映象中每个映象的垂直切片而得到2^M个直方图，从而分离出造成复合的垂直噪声分布的每个因素。所述各直方图会有μ_n和σ_n以及相对于存在于数据流中的所有图案的相对概率。根据这些信息可以确定有用得多、且正确得多的BER(V_th)估计。

一个非常类似的讨论涉及采样时间的比特误码率BER(T_sampling)以及如何根据水平分布或定时分布估计此比特误码率。如今业界存在各种方法尝试(成功度各有所不同)将水平噪声或抖动的特性参数化成随机分量和确定性分量(例如Rj和Dj)，以便将给定BER条件下总的置信间隔估计为1比特间隔上采样时间(T_sampling)的函数。BER与水平轴的关系曲线称为″浴盆(bathtub)″曲线(其中垂直轴是BER，水平轴是T_sampling)，完全类似于垂直情况下作为V_th函数的BER。这种分布在图8中示出，其中眼图的水平交叉部分810是沿水平线820提取的。如图所示，此方法同样生成非高斯分布，因此也受随机误差和系统误差的影响，而这些影响无法轻易地加以分析。就包含明显ISI的信号的测量定时分布而言，通常会发现这种复合定时误差分布。对这种分布应用本发明可得到如上所述的较好结果。

本发明的优点在于：可以将定时变化的复合分布简化为一组特定于2^M个图案(表示正在考虑的比特之前或之后M比特的各种可能组合)中各图案的水平分布，并且可通过分析这许多较简单的分布获得BER估计，且此BER估计比通过简单地尝试将BER估计为采样时间的函数(或将总的抖动估计为BER的函数)，通过分析一个复合或合成的分布而得到的BER估计的精度更高。

因此可以看出，以上提出的目标，以及前述说明中显而易见的目标已有效地得到实现，并且因为在实施本发明时可以作出某些变更而不会背离本发明的精神和范围，因此，要将以上说明中包含及附图中显示的所有材料解释为说明性而非限制性的。

还应明确，所附权利要求书旨在涵盖本文所述有关本发明的所有一般和特定特征以及就语言而言可说成落于二者之间的有关本发明范围的所有陈述。

Claims (20)

1.一种用于显示基本无噪声波形的方法，包括步骤：

将采集的波形分成多个波形切片；

根据先于被观测比特值的至少一个N比特值序列，将所述多个波形切片中的每个波形切片分类；

对每个类别中的所述波形切片取平均，从而得到每个类别的平均图案；以及

以重叠方式显示每个所述平均图案。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：N在3-10的范围中。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：N＝6。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：根据正在观测的比特值之后的至少一个P比特值序列进一步将每个所述波形分类。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：P＝1。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采集后将所述采集的波形存储在存储器中。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：基于指定垂直门限条件下越限时间的峰-峰变化获得数据相关抖动。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：通过观测具有如下特征的电平来刻划眼交叉电平：在该电平上，所述交叉分布的峰-峰变化在所述显示中最窄。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：根据所获得的数据相关抖动将所述采集的波形再分为第二多个波形切片，所述第二多个波形切片基本上校正了系统码间干扰引起的抖动和/或噪声。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述第二多个波形切片表示与所述采集的波形相关联的基本无码间干扰抖动分量。

11.一种用于显示基本无噪声波形的设备，包括下列装置：

用于将采集的波形分成多个波形切片的装置；

用于根据先于被观测比特值的至少一个N比特值序列，将所述多个波形切片中的每个切片分类的装置；

用于对每个类别中的所述波形切片取平均，从而得到每个类别的平均图案的装置；以及

用于以重叠方式显示每个所述平均图案的显示器。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于：N在3-10的范围中。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于：N＝6。

14.如权利要求11所述的设备，其特征在于：根据紧接所述正在被观测的比特值之后的至少一个P比特值序列进一步将每个所述波形分类。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于：P＝1。

16.如权利要求11所述的设备，其特征在于：采集后将所采集的波形存储在存储器中。

17.如权利要求11所述的设备，其特征在于还包括：基于在指定垂直门限条件下越限时间的峰-峰变化，获得数据相关抖动的装置。

18.如权利要求11所述的设备，其特征在于还包括用于执行如下步骤的装置：通过观测具有如下特征的电平来刻划眼交叉电平：在该电平上，所述交叉分布的峰-峰变化在所述显示中最窄。

19.如权利要求17所述的设备，其特征在于还包括：根据所获得的数据相关抖动将所述采集的波形再分为第二多个波形切片的装置，其中所述第二多个波形切片基本上校正了系统码间干扰引起的抖动和/或噪声。

20.如权利要求19所述的设备，其中所述第二多个波形切片表示与所述采集的波形相关联的基本无码间干扰抖动分量。

Images