SI工程师的艺术----加重与均衡

樱桃海弥 · 发表于 2016-3-8 16:42

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本帖最后由 alexwang 于 2018-7-2 16:01 编辑

SI工程师的艺术----加重与均衡

前言

随着信号速率的提高，信号质量会朝两个方面恶化。一方面由于时钟周期变短，固有抖动所带来的影响变得严重，举例来说，对于1Gbps的信号，1个时钟周期为1ns，峰值为50ps的随机抖动不会给系统带来太大的影响；但是对于10Gbps的信号，1个时钟周期为100ps，50ps的随机抖动对系统的影响是致命的。另一方面，速率提升使得通道的损耗变大，码间干扰会变得更加严重。这篇文章主要针对码间干扰的产生以及如何消除码间干扰进行分析。

码间干扰，又称ISI(Inter symbolinterference)，顾名思义是不同信号(码元)之间的干扰，在说码间干扰之前，我们先说一下编码。

1编码方式

作为一名工程师，我们分析和处理信号，并不仅仅关心信号本身，而是信号中所承载的信息。对于数字信号，最终表现出来的是一连串的二进制(0/1)数据，数据和电平之间有一定的编码关系，下面列举几种常见的编码方式——NRZ、NRZI、MLT-3。

NRZ即Non-Return to Zero Code, 非归零码，是最简单常见的编码方式，用0电位和1点位分别二进制的“0”和“1”，编码后速率不变，有很明显的直流成份，NRZ编码的最高频率基波是波特率的1/2。许多协议都是用的NRZ码，例如：PCIe、SATA、SAS和USB 3.0SS。

NRZI即Non-Return to Zero Inverted，非归零反转码，编码不改变信号速率。NRZI的特点是遇到数据“0”电平保持不变，遇到数据“1”电平翻转，NRZI极性翻转并不影响数据传输。和NRZ一样，NRZI编码的最高频率基波也是波特率的1/2，USB 2.0 HS协议使用的是NRZI编码。

MLT-3即Multi-Level Transmit -3，多电平传输码，MLT-3码跟NRZI码有点类似，其特点都是逢“1”跳变，逢“0”保持不变，并且编码后不改变信号速率。和NRZ/NRZI不同，MLT-3需要4 bit才完成一次完整周期跳变(NRZ和NRZI是2 bit)，相对应的最高频率基波是波特率的1/4。百兆以太网(FE)使用的就是MLT-3编码。

图1 NRZ NRZI和MLT-3编码

由于现在高速场景都是使用2电平编码(PAM4尚未普及)，NRZ和NRZI码型在物理层上面的表现并没有实质性的区别，所以我们下面以NRZ码为例。

如图2所示的链路的插损[2]如图3所示(相当于20inch FR4背板的损耗)，从TX发出的10Gbps理想信号经过背板后在图2中1/2/3所示位置的信号和眼图如图4、图5和图6所示，图中左侧两个信号分别为理想信号和图2中各个不同位置的信号对比，右侧为图2中各个位置的眼图。

图2 互连背板链路示意图

图3 背板插损

插损：介质损耗或InsertionLoss，简称IL，IL =-S21

可以看出，由于ISI的存在，接收端(图6)的眼图已经完全模糊，无法从信号中判断电平的’0’和’1’，如果不经过处理的话，数据从发送端传送到接收端会出现大量的误码。

图4 近端(位置1处)信号和眼图

图5 位置2处信号和眼图

图6 接收端(位置3处)信号和眼图

在插损很大时，在低频信号和高频信号交界的地方，最容易产生ISI。如图6中红圈部位所示，在一串如’11111101’这样的信号，先出现长串的’1’，然后接着是’01’信号，在长’1’信号向’01’信号切换的时候，由于放电时间不足，使得’0’电平严重偏离垂直参考点。所以ISI一般有两个必备条件：1)插损很大；2)低频信号和高频信号切换。消除ISI也需要从这两个方面来考虑。

减小插损一般来说有两种办法：一种是减小走线长度，另一种是使用更好板材的PCB以及更好的连接器，然而减小走线长度的话可能会影响布线，而使用更好的板材和连接器会大大增加系统的成本，所以这种方法本文中不再详述。

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2 8B/10B编码

由于数据是随机的，当反复发送”010101”之类的电平时是信号中能够出现的最高基波频率成分，恒定为波特率的一半，但是由于在实际信号中出现连续的’1’或者连续的’0’信号的个数是不确定的，出现连续’0’或者’1’的个数越多，对信号质量的影响越大。图7为两种不同码型信号经过同一链路的仿真结果，上边是PRBS7，下边是PRBS9[3]，可以明显看出PRBS9的TJ和ISI比PRBS7大。

限制信号中最长的连续’0’和’1’的个数可以改善ISI，8B/10B编码就是其中最常用的一种编码方式，8B/10B编码将8位数据分解成两组，一组3位、一组5位，经过编码之后变成一组4位和一组6位的10位数据，经过编码后的数据中连续’0’和’1’的个数不超过5个，另外，经过8B/10B编码后的数据’0’和’1’数量基本保持相等，使得信号的DC平衡。USB3.0、PCIe1.0、PCIe2.0和SATA等协议都使用8B/10B编码。类似的还有64B/66B、128B/130B编码等，同时在使用NRZI的USB 2.0中，为了限制连续高或者连续低电平的长度，规定在数据中连续出现6个’1’之后自动插入1个’0’，这也是这个目的。但是8B/10B编码会影响信号的有效带宽，每10比特信号中只传递8比特有效信号，先当于20%的带宽是浪费的。从PCIe2.0到PCIe3.0的演进中，就放弃了8B/10B编码，线速率从5Gbps到8Gbps但是实际的带宽却翻了一倍。

图7 PRBS7和PRBS9的ISI

PRBS：伪随机码，PRBS后面的数字越大，出现的连续的’0’和’1’信号的个数就越长

3 加重和均衡

均衡可以分为发送端均衡和接收端均衡，发送端均衡称为加重或者FFE，接收端的均衡有CTLE和DFE两种。

FFE：FFE是Feed forward equalizers的缩写，它可以分为预加重(Pre-Emphasis)和去加重(De-Emphasis)的方法类似，都是通过在TX改变高、低频成分(如图8所示)，区别是预加重是增加高频成分，去加重是减少低频成分，经过TX端的均衡后能够改善信号质量，现在一般都使用去加重的方式，常用的有2种——Pre cursor和Post cursor，Pre和Post如图9所示。一般情况下Post cursor使用较多，在链路较恶劣的时候加一些Pre cursor可以使眼图的“眼皮”变薄。De-Emphasis的大小是由高频部分和低频部分的比值决定的，高频部分电压和低频部分电压的比值越大，对抗链路差损的能力也就越强。下图的Pre cursor和Post cursor都是6dB，也就是高频电压是低频的两倍。FFE的优点是不会放大信号的噪声，另外，在恶劣的链路环境下，如果光依靠RX的均衡无法使得眼图睁开，在这种情况下我们推荐使用FFE。

图8 De-Emphasis上和Pre-Emphasis下

图9 Post cursor和Pre cursor

图10是链路中接收端经过加重后的眼图，经过8dB的Post cursor去加重后，眼图已经睁开。

图10 链路中接收端经过加重后的眼图

图11是加上8dB 去加重后链路中各个位置的眼图。从图11可以看出，在链路中芯片发送端以及位置1/2处的眼图都有严重的overshoot，这就是FFE的不足之处，由于在发送端增加了高频成分，在多Lane系统中会增加串扰，并且可能会导致EMC超标，在现在的高速系统中，会将较多的均衡的权重分配在接收端。

图11 经过加重后链路中各个位置的眼图

CTLE：CTLE是Continuous-time linearequalizer的缩写，它是有如图12频响曲线的放大电路，它们会对高频信号进行放大，对低频信号进行衰减，以补偿通道的插损。对待不同的链路，我们可以调节CTLE电路的参数(如增益、boost、零点、peak点等)获得恰当的频响曲线来进行补偿(如图13所示)。通常来说，CTLE电路各参数相互配合组成的组合越多，芯片应对不同场景链路的能力也就会越强，这种芯片通常还会集成CTLE的自适应算法，根据链路自动调节CTLE的参数以获得最优的参数。

图12 CTLE频响曲线示意图

图13 经过CTLE补偿的链路频响

图14是图13中信号经过CTLE均衡后得到的眼图。可以看出，CTLE补偿的效果和去加重相比要好一些。

图14 经过CTLE均衡后的眼图

但是在链路很长(链路插损很大)时，CTLE为了补偿链路的插损，通常会将高频进行放大，这样一方面会将高频噪声放大，降低系统的信噪比；另一方面，CTLE的温度特性相对较差，高温下的增益比低温小，所以在温度变化时不利于系统的稳定，在这个时候我们需要DFE的帮助。

DFE：DFE是Decisionfeedback equalizer的缩写，电路中DFE一般在CTLE之后。DFE的实现方式和FFE类似。DFE可以辅助CTLE改善信号质量，另外DFE可以实时地根据眼图的情况进行自适应调节，它可以用来补偿由于温度或者其他条件变化带来的链路和芯片(如CTLE)的变化，增加系统的稳定性。

图15 经过CTLE和DFE均衡后的眼图

在实际的使用过程中，需要FFE、CTLE和DFE三者相互配合使用，尤其是在链路条件相对复杂的情况下。下面是一个比较恶劣的线路，在5GHz处，链路的插损达到了约33dB(相当于40inch FR4 背板的损耗)。这个时候单纯靠FFE或者CTLE、DFE已经无法实现将眼图张开，这时候需要使用FFE+CTLE+DFE相互配合，使得在接收端的采样点处眼图能够完全张开，确保达到目标误码率。