互连中的信号畸变（信号完整性揭秘）

       预加重和均衡是高速串行互连中改善信号质量，减小误码率的一项重要措施。在GHz以上长距离高速串行互连中，仅仅做好通道的优化远远不够，还需要调整预加重和均衡参数才能实现数据的可靠传输。在工程设计中，有两种普遍存在的认识误区：

1)认为通道设计中的不理想因素都能通过均衡进行有效弥补。

2)片面强调均衡增益的dB值，认为通道衰减了多少dB 就要通过均衡补偿多少dB，而不考虑不同均衡方式的特性。这些认识误区可能导致通道设计的不完善，造成均衡参数调整起来困难，或导致调整均衡参数时方向性的错误，长时间找不到合适的均衡参数。正确配置和优化均衡参数，需要对均衡原理有深入的理解。了解不同均衡方式的特点，才能有针对性地对参数进行调整。

 

10.1  互连中的信号畸变

 

       典型的高速串行互连系统如图10-1所示，包括发送器TX、互连通道、接收器 RX。高速互连的发送器TX和接收器 RX中往往包含非常复杂的功能电路，发送器内可能包含复杂的锁相环电路、预加重(或去加重)电路等，接收器可能内置可变增益放大器(VGA) 、CDR时钟恢复电路、线性均衡电路 (CTLE) 、反馈判决均衡电路 (DFE)等。互连通道可能会包含传输线、过孔、连接器、AC耦合电容等。整个互连系统中任何一部分不理想的因素都可能会影响信号的传输，芯片制造商对高速互连的TX和RX都会进行仔细的优化设计以适应数据的高速传输，而互连通道的优化设计需要在PCB设计阶段实现。

       信号通过互连通道的过程中，反射、串扰、介质损耗、导体损耗、辐射等都会引起信号能量损失。通常辐射损耗对信号本身的影响可以忽略不计。反射和串扰可以通过阻抗的 连续性优化以及层叠结构布局布线等方式进行有效的抑制，本章不讨论相关内容。介质损耗和导体损耗对高速串行互连影响极大，尤其在通道较长的情况下，两种损耗是数据传输的主要瓶颈。图10-2显示了摆幅为1V的10.3125 Gbps差分信号通过一条30英寸长的互连通道前后信号波形的变化，能量的损耗使信号通过互连通道后产生了严重的畸变。最明显的两个特征是信号边沿变缓，摆幅减小。
 

       从时域波形上看，互连通道损耗对信号的影响和码型有关。对于“1”、“0”交替的类似时钟信号，损耗主要使信号的摆幅减小，如图10-3中左侧椭圆标志部分所示。对于随机码信号，高电平或低电平幅度能到达多大，和该bit位前面的数据有关，图10-3中显示了两个从“0”跳变到“1”,但高电平幅度不一致的情况。第一种数据组合为“0001”,第二种数据 组合为“1101”,尽管都是从“0”跳变到“1”,但是由于前面两个bit位数据不同，跳变后能达到的高电平幅度不一样，这是一种典型的码间干扰 (ISI)现象。码间干扰导致的高低电平幅度的不确定性，必然影响接收信号的眼图高度，使眼高变小，严重情况下甚至完全闭合。
 

       码间干扰不仅影响信号的幅度，还影响信号的边沿位置。图10-4中同时显示了3种数据组合情况下的信号波形，a 图为完整码型的波形，b 图为局部放大图。无论是上升沿还是下降沿，码型不同，边沿出现的位置也不同，由于传输数据的随机性，信号边沿出现的时刻在时间轴上会占一定的宽度，这就是衰减引起的抖动，抖动导致接收信号眼图宽度减小。当通道损耗非常大时，信号被严重衰减，眼图可能会完全闭合，图10-5显示了摆幅为1V 的10.3125 Gbps 差分信号通过30英寸长的互连通道后的眼图，由于衰减过大，眼图已完全闭合。

       因此，损耗引起的信号波形畸变在高速串行互连中是非常严重的问题，尤其在长距离互连中，比如通过背板互连的通道长度可能会超过1m，这时必须借助均衡技术来弥补信号的衰减。

 

 

       以上内容来自行业内著名专家——于博士，著作“ 信号完整性揭秘-于博士SI设计手记 ”书中第十章第一节！