信號(hào)完整性基礎(chǔ)系列之十三——ISI和ISI Plot

一，關(guān)于ISI的文章典籍有哪些？
關(guān)于ISI，有兩本比較有名的SI著作中有提到。在Intel的三位工程師合著的《高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)——互連理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐手冊(cè)》(p65-p66)中，對(duì)ISI的解釋是：“當(dāng)信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，總存在反射、串?dāng)_、或其它噪聲源引起的噪聲。這些噪聲會(huì)影響發(fā)送到傳輸線上的信號(hào)，降低時(shí)序容限和信號(hào)完整性容限。這種現(xiàn)象稱(chēng)為ISI”。 在另外一個(gè)著名美籍華人SI專(zhuān)家李鵬（Mike Peng Li）的著作《高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)——抖動(dòng)、噪聲和信號(hào)完整性》（p6-p7）中，有下面的描述，“在有損媒質(zhì)中，（較高頻率的）比特流可能會(huì)造成跳變時(shí)序和信號(hào)幅度偏離理想值?！捎谌菪孕?yīng)，每次電平跳變都要有一定的電荷充放電時(shí)間。如果前次跳變的電平在達(dá)到預(yù)定電平之前，緊接著發(fā)生又一次跳變，那么當(dāng)前比特就可能產(chǎn)生時(shí)間和電平量級(jí)的偏差，這種效應(yīng)會(huì)級(jí)聯(lián)累積” ，于是產(chǎn)生了ISI。 可能是由于翻譯的原因，上段文字令人難以透徹理解ISI。我運(yùn)用強(qiáng)大的google，但未能google出能幫助我寫(xiě)完此文的參考文獻(xiàn)。 本文將從力科示波器測(cè)量的眼圖特點(diǎn)來(lái)幫您識(shí)別什么是ISI，并介紹力科示波器分析ISI的一個(gè)重要工具ISI Plot及其對(duì)調(diào)試的實(shí)際幫助。
二、力科示波器“眼”中的ISI
簡(jiǎn)單地說(shuō)，ISI(intersymbol interference，碼間干擾)是一種信號(hào)的失真，一種碼型對(duì)相臨的碼型產(chǎn)生干擾。ISI是固有抖動(dòng)(Dj)的主要來(lái)源。我們可以通過(guò)眼圖的特點(diǎn)來(lái)判斷是否有ISI存在。在力科示波器“眼”中，ISI表現(xiàn)為兩種典型特征，分別如圖一、二所示。不完美的“眼圖”總是能說(shuō)明點(diǎn)問(wèn)題的，特別是這種不完美的“眼圖”表現(xiàn)出這么強(qiáng)烈的規(guī)律時(shí)！ 圖一上圖表示沒(méi)有ISI時(shí)測(cè)量出的3.125Gbps信號(hào)的眼圖，下圖表示有ISI測(cè)量出的3.125Gbps的眼圖，ISI帶來(lái)的數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)DDj（Dj的一部分）如紅色區(qū)間所示。圖二的上升沿產(chǎn)生了負(fù)向的凹脈沖，下降沿產(chǎn)生了正向的凸脈沖。

圖一 上圖表示沒(méi)有ISI的3.125Gbps信號(hào)眼圖，下面表示有ISI的眼圖測(cè)量

圖二 阻抗不匹配帶來(lái)的ISI問(wèn)題

三、基于力科串行數(shù)據(jù)分析儀的ISI Plot功能
力科的串行數(shù)據(jù)分析SDA系列有一種獨(dú)特的ISI Plot功能，可以將數(shù)據(jù)流中的相同次序的比特位組合起來(lái)進(jìn)行平均從而消除掉噪聲的影響，如圖三所示。

圖三 ISI Plot

ISI Plot是力科的一種專(zhuān)利方法，該方法利用歷史上捕獲到的波形的很多比特位來(lái)確定對(duì)某一給定的比特位的跳變沿的影響。用戶可以選擇屏幕上的比特位個(gè)數(shù)(3-10個(gè))來(lái)測(cè)量。捕獲的波形按選擇的比特位個(gè)數(shù)來(lái)分段處理。譬如選擇4個(gè)比特位，那么4 UI長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)段就會(huì)被掃描，總共有2的4次方16種組合的碼型被定位和平均。譬如下面的數(shù)據(jù)流中共出現(xiàn)18次0010被平均，9次1101被平均，3次0001被平均。平均處理的過(guò)程中隨機(jī)抖動(dòng)，噪聲和周期性抖動(dòng)被去掉了。這些波形段疊加顯示，最終2的4次方個(gè)平均后的波形都顯示在ISI Plot上。 如圖四所示。圖五以3 UI長(zhǎng)度圖示了ISI Plot的實(shí)現(xiàn)原理。

圖四 4 UI的ISI Plot

圖五 3 UI的ISI Plot

四、引起ISI的原因及ISI Plot對(duì)分析ISI問(wèn)題的幫助
1，預(yù)加重過(guò)大
預(yù)加重過(guò)大會(huì)產(chǎn)生ISI。圖六分別表示在10%、20%、33%三種預(yù)加種時(shí)的眼圖測(cè)量結(jié)果。在33%預(yù)加重時(shí)的ISI明顯增大。

圖六 不同預(yù)加重時(shí)的眼圖

2，數(shù)據(jù)碼型的特點(diǎn)和傳輸通道對(duì)串行數(shù)據(jù)不同頻率的碼型頻率響應(yīng)
數(shù)據(jù)碼型中包括有連續(xù)跳變沿(如101010……)的碼型包括的頻率成分是有些碼型（如11001100……）的頻率的兩倍，更是另外一類(lèi)碼型（如111000111000……）的頻率的三倍。 PCB傳輸介質(zhì)的低通特性會(huì)過(guò)濾掉高頻成分，其結(jié)果是會(huì)使高頻碼型幅值衰減，相位偏移。
3，數(shù)據(jù)比特位出現(xiàn)的次序
數(shù)據(jù)比特位出現(xiàn)的次序影響到數(shù)據(jù)跳變沿的時(shí)序。如下所示的串行數(shù)據(jù)流包含有碼型00010 和11110，其中1->0 的跳變導(dǎo)致的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻不一樣，于是帶來(lái)了ISI問(wèn)題，如圖七所示，利用ISI Plot可以定位出這種時(shí)序上的差別。

圖七 不同的比特位次序產(chǎn)生的ISI

4，阻抗不匹配
阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致容性傳輸線產(chǎn)生反射。含有高頻能量的上升沿被反射，該反射會(huì)“拉低”電平。反之亦然。這通常意味著部分傳輸線有附加的電容或較低的阻抗。這種阻抗不匹配帶來(lái)的ISI問(wèn)題可以用ISI Plot的方法來(lái)定位，也可以用眼圖模板失敗定位功能來(lái)驗(yàn)證。阻抗不匹配帶來(lái)的跌落出現(xiàn)在距離跳變沿的固定距離。 圖八用ISI Plot揭示出的碼型相關(guān)性是傳統(tǒng)的眼圖方法不能實(shí)現(xiàn)的。所有的上升沿都造成了負(fù)向的凹脈沖并且所有的下降沿造成了正向的凸脈沖，這意味著部分傳輸線有附加的電容，或較低的阻抗。

圖八 ISI Plot揭示了碼型相關(guān)性

利用眼圖的模板失敗跟蹤功能也能從另外的角度分析這種阻抗不匹配問(wèn)題?？梢灾饌€(gè)觀察每個(gè)被侵犯的模板碼型查看邊沿和跌落之間的關(guān)聯(lián)性。如圖九所示，還通過(guò)測(cè)量沿與脈沖之間的時(shí)間間隔可以估算出不匹配點(diǎn)的大致距離。

圖九 模板失敗跟蹤功能可用來(lái)查看反射

五、如何降低ISI的影響
在《高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)——互連理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐手冊(cè)》一書(shū)中，提出了下面的一些降低ISI的經(jīng)驗(yàn)方法，現(xiàn)摘錄如下：
1.通過(guò)消除阻抗不連續(xù)，并使走線分支長(zhǎng)度和較大的寄生效應(yīng)（源自封裝、插槽、或連接器）最小化，使得總線上的反射降為最小。
2.使互連通路盡可能短。
3.避免耦合緊密的彎曲走線。
4.合理選擇線長(zhǎng)，使得總線上傳輸信號(hào)時(shí)的同時(shí)，不會(huì)發(fā)生信號(hào)完整性問(wèn)題（即振鈴、信號(hào)突起、信號(hào)過(guò)沖等）。
5.使串?dāng)_影響最小化。