用於確定碼間幹擾以估計數據相關抖動的方法和設備的製作方法

2023-04-25 06:16:31 1

專利名稱：用於確定碼間幹擾以估計數據相關抖動的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過對在數字示波器或波形數字轉換器中採樣得到的數據通信信號的長期存儲記錄進行分析，以獲得數據相關抖動估計，從而確定碼間幹擾(ISI)的方法和設備。
背景技術：
在任何數據或通信信號中，信號中的碼間幹擾是引起垂直和水平信號變化的因素。其基本效應是後續數據碼元的形狀和定時受在前碼元的精確序列的影響(或具有在前碼元的精確序列的記憶)。即，在示波器上眼圖顯示的具體應用中，被觀測的比特間隔的直接在前碼元影響隨機比特的被觀測比特間隔的眼圖。
因此，在處理數據通信信號時，以及在示波器上查看眼圖時，說明這種幹擾將是有益的。
發明概述根據本發明，提供了一種方法和設備，用於根據對所觀測的通信信道的一次採集或記錄中獲得的數據進行分析，以分離引起ISI的各種因素。通過分離此系統或確定性因素對定時誤差的影響，以及重新計算「消除了」這種誤差的定時誤差系列，可獲得較接近非ISI因素引起的拌動的表示。
根據說明書和附圖，會在一定程度上清楚本發明的其它目的和優點。
因而，本發明包括幾個步驟和這些步驟中的一個或多少步驟相對於其它每個步驟的關係，以及體現適於執行所述步驟的結構特徵、單元組合和部件配置，所有這些都在下面的詳細公開中予以舉例說明，而本發明的範圍則在權利要求中提出。
附圖的簡要說明為了更全面地理解本發明，可以參考如下說明和附圖，附圖中

圖1是所記錄的數據信號的表示；圖2是眼圖的屏幕畫面(screen shot)；圖3是根據本發明顯示各平均波形的屏幕畫面；圖4是圖3的屏幕畫面所示的交叉分布的特寫視圖；圖5是一個眼圖表示及其垂直切片表示；圖6是刪除可歸因於ISI的誤差之後圖5的垂直切片表示；圖7是圖6的分布的圖形表示；和圖8是圖5中眼圖的水平交叉部分。
優選具體實施例的詳細說明下面詳細描述根據數據通信信號的長期存儲記錄確定ISI(碼間幹擾)以獲得「數據相關抖動」估計的方法和設備。
本發明可被稱為「切片式-圖案-平均器」(sliced-pattern-averager)，因為本發明包括一種方法和設備，用於分析理解數據或通信信道的大量記錄、一系列信號平均的信號(或波形)，每個平均信號特定於一個特定的在前碼元狀態圖案或序列。由於這種過程的結果是平均結果，且已使用與理想恢復接收時鐘相關的定時來取平均(即時鐘提取器(extrator)可選地結合「最佳PLL(goldenPLL)」或任意的PLL)，因此它們表示信道對指定圖案的基本無噪聲的響應形狀。
根據本發明，下列結果是採用本發明的信號分析所獨有的1.可確定通信信道中抖動的特定ISI分量、系統垂直變化的特定ISI分量。
2.產生並顯示與眼圖相似的圖形，而該圖形基本無隨機噪聲，因為所顯示的信號是「平均信號(signal averaged)」，所以顯著地抑制了非系統的或隨機的影響。
3.可確定對抖動分布的ISI擾動的水平分布，其可用作用於抖動分布去卷積的工具，以達到分離和識別碼元相關和非碼元相關抖動的幅度和形狀的目的。
4.還可提供ISI擾動的垂直分布，此垂直分布用作垂直變化分布去卷積的工具，以便達到分離和識別碼元相關和非碼元相關抖動垂直噪聲的幅度和形狀的目的。
根據第一實施例，這種方法和設備依賴於系統「時鐘」的提取和使用。然而，根據另一個具體實施例，使用或者不使用系統時鐘，本方法和設備均可獲得理想的結果，因為系統時鐘可通過分析記錄數據來提取，或者從所述系統時鐘的同時記錄中直接獲得。通過分析記錄數據提取系統時鐘可參見於2003年9月29日提出的、題為「用於分析串行數據流的方法和設備(METHOD ANDAPPARATUS FOR ANALYZING SERIAL DATA STREAMS)」的共同未決美國專利申請No.10/673735，此專利申請的全部內容通過引用結合於本文中。
根據本發明，充分利用了包含在長期數字記錄信號中的信息。首先，捕獲包含串行數據通信信道的許多「碼元」或「比特間隔」的信號。關鍵是，記錄品質應該與被觀測的現象一樣精確，或比其更精確，因為記錄的品質限制了對抖動和垂直噪聲的刻劃。在此情況下，垂直噪聲和時基「抖動」必須是高品質的。即記錄信道必須在被測數據信號上添加最小量的垂直噪聲和抖動。
如美國專利申請No.10/673735中所述，首先就門限交叉對長期記錄進行分析，並且假如(如通常的情況)被測信號是數據通道而非時鐘，則交叉與虛擬時鐘邊沿相關聯。
在其它計算時間間隔誤差(TIE)的情況中，查找精確提取的時鐘沿時間的相關信息，並根據此信息，可以以與所述虛擬恢復(預期)時鐘相關聯的「正確」定時顯示原始波形的一個小子集。這個過程可包含預期虛擬時鐘定時反饋，並因此模擬時鐘提取電路(或甚至根據某通信標準得「最佳PLL(golden-PLL)」等)的存在。
假定確定了理想時鐘，將記錄數據的部分如圖1所示那樣組織。如圖1所示，一個假設的數據流100包括多個比特間隔105。數據值線110、111、112、113表示基於在前比特間隔的當前比特間隔105的可能的狀態。例如，在比特間隔105a中，假如此間隔末端附近的值在位置106上，則對於比特間隔105b，值要麼可保持不變，因而後續值取110，要麼可下降，因而後續值取111。或者，假如在比特間隔105a的值在位置107上，則對於比特間隔105b，值要麼可保持不變，因而後續值取112，要麼可上升，因而後續值取113。
當多個位間隔比特間隔彼此在頂部重疊時，由於對每個比特間隔而言僅有少量的可能路徑，因此顯示了所有的可能路徑。因此，從存儲的數據信號中提取的以及在持續顯示中重疊的比特間隔數據形成如圖2所示的顯示畫面。圖2顯示了一個眼圖示例，該眼圖是根據採用LeCroy@Wave Master 8500以20GS/s記錄的一個2.48832吉比特/秒的記錄信號OC-48形成並按照上面提到的美國專利申請No.10/673735的方法和設備加以處理而得到的眼圖。
給定這些子集表示，可將包含許多碼元寬度或比特間隔的長期存儲記錄重新表示為大量較小的波形，每個波形關聯在與系統時鐘相關聯的某個精確時間上。
根據本發明，並不如圖2所示將所有這些信號組合到一個持續顯示(persistence display)中，而是分析有關在被觀測比特間隔前的N個間隔及其後一個比特間隔的信息。就N個在前間隔及一個在後比特中每個比特間隔(在虛擬提取系統時鐘時間之間)中心上的NRZ狀態對信號進行分析，以獲得波形的每個小記錄(子集或「切片」)的確切比特序列。基於M比特的特定圖案，將每個被觀測比特置於2M個類別之一中，其中所有其它被觀測「切片」具有相同的M比特圖案。當將每個被觀測切片添加至2M個類別之一中時，更新與精確圖案(M＝N+1+1)比特相關聯的平均值。從而，2M個平均類別中每個類別的平均值將由對N個在前和P個在後間隔而言具有相同值的所有值比特間隔的平均值構成，其中N最好為6(但可從3變化至10，或任何其它期望的比特數量)，P最好為1(但也可是任何其它期望的數量)。注意，平均過程是有效上採樣平均或具有比原記錄更高有效採樣率的平均。這僅意味，對於每個圖案平均，存在一個以上的平均緩衝器，因此，為了將最終的平均結果歸一化，需要進行適當的統計。
一完成對全部長期波形記錄的分析，就可為2M個類別中的每個類別提供一個平均波形。隨後將可能的2M個圖案中每個圖案的平均波形疊加在一比特間隔顯示上。全部2M個平均完整並不是必要條件。整個顯示(縮放比例與先前顯示的持續顯示的一樣)顯示在圖3中。例如，每個平均結果顯示為單一線條310，而不是顯示為圖2中的值雲圖(cloud of values)。因此，此重疊顯示在比例上與利用所有相同信息可形成的眼圖相同。然而，垂直和水平隨機度因與比特圖案(2M個序列)不一致而被平均「化」或基本上被從圖中刪除。在圖3中，對於M＝5的例子，將可定性地「看到」的每個形狀分成32條細線310(25＝32)。這種顯示表示的水平交叉部分(上述細線越過第(M-1)個比特間隔與第M個比特間隔之間的門限的時間集合)產生精確的水平分布，此分布是確定性ISI抖動分布。同樣地，顯示的垂直交叉部分將產生垂直變化的固定的確定性分量。
此過程以及用於執行此過程的設備可提供與用於分析許多小採集量相比非常快速的響應(基於一個大採集量)。進而，響應的品質不依賴於記錄裝置的觸發穩定性，而是依賴於記錄裝置的時基(採樣間隔)穩定性。在實際的實施方案中，使採樣間隔穩定性非常小容易得多。
對得到的無噪聲形狀的進一步分析提供兩個用於理解通信信道的重要測量值。如圖4所示，通過對整組(2M個)波形的分布執行定時分析來獲得這些測量值，以獲得交叉分布的峰-峰變化在其上最窄(在時間上最小)的電平，以及在與通信信號規範相關的指定垂直門限條件下的峰-峰變化。前者稱為「眼-交叉-電平」(eye-crossing-level)而後者稱為數據相關抖動DDj。
本發明提供的分析方法有許多相關的顯著優點。本發明提供了一種用於獲得ISI對垂直和水平信號變化(抖動和噪聲)的影響的新方法和設備。不象其它通過激勵或控制被測數據流，採用數字採樣示波器(與單顯示器或實時數字振蕩器相反)來測量無噪聲碼元響應的現有技術方法，這種方法不需要特定的可控激勵。確切地說，它將來自任何(RRBS、恆定圖案、真隨機...或甚至「實時」中的任一種)數據流的信息分類。它的商業價值在於快速地確定基於ISI的確定性抖動和噪聲，並且無需統計假設。此方法提供了非常有用的顯示，便於理解定時變化性質以及不然會隱藏在噪聲中的垂直波形特徵。通過這種分析開闢了另一種先前未探索過的途徑。通過仔細地分析兩個非常特殊的圖案(100000...和011111...)平均的差分脈衝響應，可了解ISI物理現象的時域和頻域本質。
表示無ISI影響的抖動基於上述信號平均器，本發明對數據或通信信道的一次時間間隔誤差(TIE)分析的結果執行第二「遍」分析。在此第二遍分析中，對估計的因正在考慮的比特間隔的上升沿或下降沿的在先比特歷史引起的系統影響進行補償，降低了不然會以普通方式確定的TIE，從而將該在先歷史納入了考慮。因此，對由特定比特間隔之前或之後的值造成的任何固有誤差進行了糾正。所得到的TIE的值序列是一組具有較低總體變化的測量值，因為已從中刪除了ISI的系統影響。
此特點非常重要，原因如下1.除了受相干或不相干假設不利影響的統計分析以外，沒有其它(常用)方法來消除抖動測量中ISI的影響(按照現有技術，缺乏以精確方式控制數據序列的手段)。
2.一旦從抖動測量值中消除ISI(或數據相關)的影響，便可簡化剩餘分析；即它受競爭現象「汙染(polluted)」較小。
3.在實用意義上，已知ISI與傳輸介質(電纜或光纖等)密切相關。因此，從抖動測量值中消除此分量，就可以揭示未受傳輸介質影響的系統本質。
因此，通過充分利用數據信號的長期記錄，便可提取時間間隔誤差數據，識別數據中的圖案，並且確定與所述圖案相關的系統影響的分布。由此信息，對數據進行再分析可提供無噪聲的信號，此信號表示在不存在碼間幹擾(ISI)時數據信道特性。
由ISI的系統影響構成的信息被從原始測量值中去除。因此，可觀測到抖動的直方圖(概率分布函數即PDF的近似)或不受數據相關因素影響的情況下抖動的頻率特性(即服從傅立葉分析)。
下面參考圖5說明應用本發明的方法和設備的例子。圖5顯示了眼圖500和沿該眼圖的多個垂直切片510(僅標出其中兩個)提取的該眼圖的表示505。眼圖的垂直切片表示沿眼圖500的水平中心520提取的信號垂直變化的分布515。分布515顯然不是高斯分布的，而是由結合系統垂直變化的許多接近高斯(隨機)分布構成，系統垂直變化可以通過如上所述分析ISI圖示的相同垂直交叉部分來刻劃。
一旦如上所述根據本發明通過使用2M個平均值進行平均處理，從而從圖5所示分布中消除ISI引起的誤差，便可以得到例如圖6所示的垂直分布。從圖6可以看出，由未顯現ISI的信號得到一對垂直噪聲分布610a、610b，因而不會顯示複合垂直噪聲分布形狀。其它影響可包括不涉及信號序列或甚至比特率的周期性幹擾。從誤差分布中消除了ISI影響時，分布仍然可能失真。不過，可通過常規方法(例如用於預測BER的Q因子(Q-factor)方法)對剩餘分布進行更正確的分析。
圖7顯示了圖6中的兩個高斯分布的圖形表示。這是根據本發明的「Q因子」的簡化概念所基於的垂直噪聲分布類型。根據所確定的該Q因子，可確定垂直噪聲所致的比特誤碼率的簡單估計。Q因子(或信噪比)由下式給出Q=1-01-0]]>假定各分布的特性符合高斯分布，可用於獲得由垂直噪聲引起的比特誤碼率(BER)的估計，BER通過判決門限Vth(即硬體接收時，確定接收的是1還是0的門限電壓，使得V(t)＞Vth時判決檢測到二進位1，而V(t)＜Vth時判決檢測到二進位0)來表示。
BER(Vth)=14(erfc(1-Vth21)+erfc(Vth-020))]]>其中「erfc(x)」是「補(complimentary)誤差函數」，被定義為erfc(x)＝1-erf(x)其中erf是本領域普通技術人員熟知的標準誤差函數。此估計主要基於如下假設兩個平均數μ1和μ0的變化表現為高斯分布。與本發明相關的此估計的優點在於通過形成2M個圖案中每個圖案的持續映象(persistence map)以及這些映象中每個映象的垂直切片而得到2M個直方圖，從而分離出造成複合的垂直噪聲分布的每個因素。所述各直方圖會有μn和σn以及相對於存在於數據流中的所有圖案的相對概率。根據這些信息可以確定有用得多、且正確得多的BER(Vth)估計。
一個非常類似的討論涉及採樣時間的比特誤碼率BER(Tsampling)以及如何根據水平分布或定時分布估計此比特誤碼率。如今業界存在各種方法嘗試(成功度各有所不同)將水平噪聲或抖動的特性參數化成隨機分量和確定性分量(例如Rj和Dj)，以便將給定BER條件下總的置信間隔估計為1比特間隔上採樣時間(Tsampling)的函數。BER與水平軸的關係曲線稱為″浴盆(bathtub)″曲線(其中垂直軸是BER，水平軸是Tsampling)，完全類似於垂直情況下作為Vth函數的BER。這種分布在圖8中示出，其中眼圖的水平交叉部分810是沿水平線820提取的。如圖所示，此方法同樣生成非高斯分布，因此也受隨機誤差和系統誤差的影響，而這些影響無法輕易地加以分析。就包含明顯ISI的信號的測量定時分布而言，通常會發現這種複合定時誤差分布。對這種分布應用本發明可得到如上所述的較好結果。
本發明的優點在於可以將定時變化的複合分布簡化為一組特定於2M個圖案(表示正在考慮的比特之前或之後M比特的各種可能組合)中各圖案的水平分布，並且可通過分析這許多較簡單的分布獲得BER估計，且此BER估計比通過簡單地嘗試將BER估計為採樣時間的函數(或將總的抖動估計為BER的函數)，通過分析一個複合或合成的分布而得到的BER估計的精度更高。
因此可以看出，以上提出的目標，以及前述說明中顯而易見的目標已有效地得到實現，並且因為在實施本發明時可以作出某些變更而不會背離本發明的精神和範圍，因此，要將以上說明中包含及附圖中顯示的所有材料解釋為說明性而非限制性的。
還應明確，所附權利要求書旨在涵蓋本文所述有關本發明的所有一般和特定特徵以及就語言而言可說成落於二者之間的有關本發明範圍的所有陳述。
權利要求
1.一種用於顯示基本無噪聲波形的方法，包括步驟將採集的波形分成多個波形切片；根據先於被觀測比特值的至少一個N比特值序列，將所述多個波形切片中的每個波形切片分類；對每個類別中的所述波形切片取平均，從而得到每個類別的平均圖案；以及以重疊方式顯示每個所述平均圖案。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於N在3-10的範圍中。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於N＝6。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於根據正在觀測的比特值之後的至少一個P比特值序列進一步將每個所述波形分類。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於P＝1。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於採集後將所述採集的波形存儲在存儲器中。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於還包括如下步驟基於指定垂直門限條件下越限時間的峰-峰變化獲得數據相關抖動。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於還包括如下步驟通過觀測具有如下特徵的電平來刻劃眼交叉電平在該電平上，所述交叉分布的峰-峰變化在所述顯示中最窄。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於還包括如下步驟根據所獲得的數據相關抖動將所述採集的波形再分為第二多個波形切片，所述第二多個波形切片基本上校正了系統ISI引起的抖動和/或噪聲。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述第二多個波形切片表示與所述採集的波形相關聯的基本無ISI抖動分量。
11.一種用於顯示基本無噪聲波形的設備，包括下列裝置用於將採集的波形分成多個波形切片的裝置；用於根據先於被觀測比特值的至少一個N比特值序列，將所述多個波形切片中的每個切片分類的裝置；用於對每個類別中的所述波形切片取平均，從而得到每個類別的平均圖案的裝置；以及用於以重疊方式顯示每個所述平均圖案的顯示器。
12.如權利要求11所述的設備，其特徵在於N在3-10的範圍中。
13.如權利要求12所述的設備，其特徵在於N＝6。
14.如權利要求11所述的設備，其特徵在於根據緊接所述正在被觀測的比特值之後的至少一個P比特值序列進一步將每個所述波形分類。
15.如權利要求14所述的設備，其特徵在於P＝1。
16.如權利要求11所述的設備，其特徵在於採集後將所採集的波形存儲在存儲器中。
17.如權利要求11所述的設備，其特徵在於還包括基於在指定垂直門限條件下越限時間的峰-峰變化，獲得數據相關抖動的裝置。
18.如權利要求11所述的設備，其特徵在於還包括用於執行如下步驟的裝置通過觀測具有如下特徵的電平來刻劃眼交叉電平在該電平上，所述交叉分布的峰-峰變化在所述顯示中最窄。
19.如權利要求18所述的設備，其特徵在於還包括根據所獲得的數據相關抖動將所述採集的波形再分為第二多個波形切片的裝置，其中所述第二多個波形切片基本上校正了系統ISI引起的抖動和/或噪聲。
20.如權利要求18所述的設備，其中所述第二多個波形切片表示與所述採集的波形相關聯的基本無ISI抖動分量。
全文摘要
一種用於顯示串行數據波形的基本無噪聲段的方法和設備，該方法包括以下步驟將採集的波形分成多個波形切片，並根據先於被觀測比特值的至少一個N比特值序列，將所述多個波形的每個切片分類。然後，對每個分類中的波形切片取平均，生成每個類別的平均圖案。然後以重疊方式在顯示器上顯示各所述平均圖案。
文檔編號G01R13/02GK1705885SQ200380101574
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月17日 優先權日2002年10月18日
發明者M·米勒 申請人:勒克羅伊公司