互連中的信號(hào)畸變（信號(hào)完整性揭秘）

預(yù)加重和均衡是高速串行互連中改善信號(hào)質(zhì)量，減小誤碼率的一項(xiàng)重要措施。在GHz以上長(zhǎng)距離高速串行互連中，僅僅做好通道的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要調(diào)整預(yù)加重和均衡參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在工程設(shè)計(jì)中，有兩種普遍存在的認(rèn)識(shí)誤區(qū)：

1)認(rèn)為通道設(shè)計(jì)中的不理想因素都能通過均衡進(jìn)行有效彌補(bǔ)。

2)片面強(qiáng)調(diào)均衡增益的dB值，認(rèn)為通道衰減了多少dB 就要通過均衡補(bǔ)償多少dB，而不考慮不同均衡方式的特性。這些認(rèn)識(shí)誤區(qū)可能導(dǎo)致通道設(shè)計(jì)的不完善，造成均衡參數(shù)調(diào)整起來困難，或?qū)е抡{(diào)整均衡參數(shù)時(shí)方向性的錯(cuò)誤，長(zhǎng)時(shí)間找不到合適的均衡參數(shù)。正確配置和優(yōu)化均衡參數(shù)，需要對(duì)均衡原理有深入的理解。了解不同均衡方式的特點(diǎn)，才能有針對(duì)性地對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

10.1互連中的信號(hào)畸變

典型的高速串行互連系統(tǒng)如圖10-1所示，包括發(fā)送器TX、互連通道、接收器RX。高速互連的發(fā)送器TX和接收器RX中往往包含非常復(fù)雜的功能電路，發(fā)送器內(nèi)可能包含復(fù)雜的鎖相環(huán)電路、預(yù)加重(或去加重)電路等，接收器可能內(nèi)置可變?cè)鲆娣糯笃?/u>(VGA)、CDR時(shí)鐘恢復(fù)電路、線性均衡電路(CTLE)、反饋判決均衡電路(DFE)等?；ミB通道可能會(huì)包含傳輸線、過孔、連接器、AC耦合電容等。整個(gè)互連系統(tǒng)中任何一部分不理想的因素都可能會(huì)影響信號(hào)的傳輸，芯片制造商對(duì)高速互連的TX和RX都會(huì)進(jìn)行仔細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以適應(yīng)數(shù)據(jù)的高速傳輸，而互連通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要在PCB設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)通過互連通道的過程中，反射、串?dāng)_、介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、輻射等都會(huì)引起信號(hào)能量損失。通常輻射損耗對(duì)信號(hào)本身的影響可以忽略不計(jì)。反射和串?dāng)_可以通過阻抗的連續(xù)性優(yōu)化以及層疊結(jié)構(gòu)布局布線等方式進(jìn)行有效的抑制，本章不討論相關(guān)內(nèi)容。介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗對(duì)高速串行互連影響極大，尤其在通道較長(zhǎng)的情況下，兩種損耗是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕款i。圖10-2顯示了擺幅為1V的10.3125 Gbps差分信號(hào)通過一條30英寸長(zhǎng)的互連通道前后信號(hào)波形的變化，能量的損耗使信號(hào)通過互連通道后產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變。最明顯的兩個(gè)特征是信號(hào)邊沿變緩，擺幅減小。

從時(shí)域波形上看，互連通道損耗對(duì)信號(hào)的影響和碼型有關(guān)。對(duì)于“1”、“0”交替的類似時(shí)鐘信號(hào)，損耗主要使信號(hào)的擺幅減小，如圖10-3中左側(cè)橢圓標(biāo)志部分所示。對(duì)于隨機(jī)碼信號(hào)，高電平或低電平幅度能到達(dá)多大，和該bit位前面的數(shù)據(jù)有關(guān)，圖10-3中顯示了兩個(gè)從“0”跳變到“1”,但高電平幅度不一致的情況。第一種數(shù)據(jù)組合為“0001”,第二種數(shù)據(jù)組合為“1101”,盡管都是從“0”跳變到“1”,但是由于前面兩個(gè)bit位數(shù)據(jù)不同，跳變后能達(dá)到的高電平幅度不一樣，這是一種典型的碼間干擾(ISI)現(xiàn)象。碼間干擾導(dǎo)致的高低電平幅度的不確定性，必然影響接收信號(hào)的眼圖高度，使眼高變小，嚴(yán)重情況下甚至完全閉合。

碼間干擾不僅影響信號(hào)的幅度，還影響信號(hào)的邊沿位置。圖10-4中同時(shí)顯示了3種數(shù)據(jù)組合情況下的信號(hào)波形，a圖為完整碼型的波形，b圖為局部放大圖。無論是上升沿還是下降沿，碼型不同，邊沿出現(xiàn)的位置也不同，由于傳輸數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，信號(hào)邊沿出現(xiàn)的時(shí)刻在時(shí)間軸上會(huì)占一定的寬度，這就是衰減引起的抖動(dòng)，抖動(dòng)導(dǎo)致接收信號(hào)眼圖寬度減小。當(dāng)通道損耗非常大時(shí)，信號(hào)被嚴(yán)重衰減，眼圖可能會(huì)完全閉合，圖10-5顯示了擺幅為1V 的10.3125 Gbps差分信號(hào)通過30英寸長(zhǎng)的互連通道后的眼圖，由于衰減過大，眼圖已完全閉合。

因此，損耗引起的信號(hào)波形畸變?cè)诟咚俅谢ミB中是非常嚴(yán)重的問題，尤其在長(zhǎng)距離互連中，比如通過背板互連的通道長(zhǎng)度可能會(huì)超過1m，這時(shí)必須借助均衡技術(shù)來彌補(bǔ)信號(hào)的衰減。

以上內(nèi)容來自行業(yè)內(nèi)著名專家——于博士，著作“ 信號(hào)完整性揭秘-于博士SI設(shè)計(jì)手記 ”書中第十章第一節(jié)！