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Channel Operating Margin:与误码率进行比较

作者:Vladimir Dmitriev-Zdorov,Mentor Graphics公司

一年多前,IEEE 发布了针对千兆以太网的 802.11bj 规范。此外,该规范还定义了 Channel  Operating Margin (COM) 通道的一种质量评估方式。在数学上,可将 COM 定义为:

COM = 20 LOG10(振幅信号/振幅噪声)

图 1:改进的 COM 实施能仿真 100GbE 信号传输。

此规范建议通道裕度应不低于 3dB,以容纳可能在特定性能边缘进行操作的发射器和接收器。

COM 最难计算的部分是将包含于分母中的所有噪声源考虑进去,其中包括所有产生噪声的来源,如随机噪声、抖动、串扰、码间干扰 (ISI) 等。

尽管在 COM 之前,眼图/BER 评估技术已经存在很长时间,但是这些方法从未得到正式标准化。IBIS 标准(IBIS 5.0 至 6.2)可描述算法模型接口 (IBIS-AMI) 模型的使用,但其定义的规则主要用于描述仿真平台如何与模型库交互、调用其接口功能、形成输入并读取输出参数。

如果没有标准,那么不同工具会通过不同路径来评估通道质量,而 COM 的目标之一在于最大程度降低确定信噪比时的不确定性。COM 始于一组描述被入侵者和侵略者通道的 S 参数。考虑到 Tx 和 Rx 缓冲器的非线性模型,与许多运行 SPICE 层仿真的工具相同,COM 并不直接采用时域响应。相反,在一系列转换之后,它会找到通道的有效传递函数,并通过 IFFT 将其转换为时间响应。这样,它就能避免 SPICE 类型的建模和仿真造成的极大不确定性。

从数学的角度来看,COM 等同于统计分析,但仅针对眼图的一个垂直叠层结构,此叠层结构与“最佳”采样时间相对应。因此,将 COM 与统计眼图而非逐位分析相比是很合理的,因为后者经常无法提供充分的样品大小。

将 COM 与 BER 相比

大多数设计高速 Layout 的 PCB 设计人员对 BER 和眼图很熟悉,它们已成为代表通道设计质量的典型方法。COM 则与之不同。以下为 BER 与 COM 的部分差异。

  • 通道特征提取。许多 EDA 工具执行详细的电路模拟,以查找可表征通道的响应。它们在接收器管脚所测量的响应会受到非线性模型的影响,而且可能包含在接收器端转换为差分的共模效应。COM 始于裸露通道的 S 参数,并且完全忽略了非 LTI 和共模的影响。
  • 因为 COM 不使用器件模型,所以无法得知具体的封装参数。COM 中的“封装”是器件中封装的“模板近似值”,包含并联电容器和传输线。
  • 基于类似的原因,COM 也无法得知存在于通道两侧的实际端接条件。大多数情况下,它会采用 55-ohm 的电阻端接,与 50-ohm S 参数归一化阻抗略有差异。
  • COM 会考虑接收器静噪滤波器,其带有数据速率 75% 的平滑带宽。大多数眼图/BER 分析仪不具此滤波器的特征,也未应用此滤波器。
  • 在 COM 中,Tx 均衡器仅有一个预抽头和一个后抽头,并且指针值具有设置限制。因为实际器件可能有不同的架构,所以它的模型(如 IBIS AMI)很可能具有不同设置。
  • 用于 COM 的 CTLE 与常见实践一致,但仅对直流增益执行优化。极点频率会为给定的操作模式进行预定义。如果我们为 CTLE 参数进行全面优化,可能会有不一样的结果。
  • 在 COM 流程中,高斯和双 Dirac 发送抖动的计算是通过将脉冲响应进行线性化,并在选定采样点采用斜率。精确的统计分析需要采用不同的方式。ISI 和峰值失真的效果同样受到输入抖动的影响;这就是为什么精确的统计分析会同时计算包含 ISI 和发送抖动的分布。  
  • 在 COM 流程中,通过考虑被称为 FOM(品质因数)的更简化指标,对均衡器参数进行优化,进而缩短优化时间。然而,由于存在其他假定,例如所有“噪声”成分的高斯分布,导致预计测量和最终测量之间有相当大的差距。
  • BER 分析仪很少考虑发射器的信噪比。接收噪声亦不在考虑之列。
  • 在 COM 中,侵略者的“贡献”与最坏情况的相位组合相结合,可能造成对串扰影响的过高估计。
  • COM 中的部分操作模式采用纠错机制 (FEC) 并且将噪声振幅与 BER 更大阈值相比较。而许多 BER 评估工具并非如此。

Mentor Graphics HyperLynx 仿真器解决了这些差异。已有大量研究对 COM 预测与实际响应的差别进行了分析。并且,偏差来源已在研究中得以分析和考虑。

实际结果

此研究结果在仿真中得到证实。通过使用 HyperLynx,我们对八个配置生成了相应的眼密度图,并且将其与计算出的 COM 值相对照。图 2 显示了仿真结果。 

通过图 1 中所描述的流程,对八个配置生成了相应的图 2 眼密度图:配置 1 (a),配置 2 (b),配置 3 (c),配置 4 (d),配置 5 (e),配置 6 (f),配置 7 (g) 以及配置 8 (h)。

结语

COM 的优势在于它包括了均衡参数的优化,该优化是计算中必不可少的部分。当研究应用于 HyperLynx 的 COM 执行时,改进的 COM 方法已证明能完美匹配精确统计眼图和 BER 分析给定的结果,只要两者都基于同样的通道响应和完全相同的均衡设置。未来千兆以太网能否实施依赖于为给定设计快速精确地计算 COM 的能力。