預加重和均衡技術(shù)在高速背板設計中的應用

引言

　　路由器、以太網(wǎng)交換機、及存儲子系統等基于模塊化機箱的系統中，對高速背板要求有高等級的信號完整性及更高的系統吞吐量。今天，一些系統中的背板正采用3.125G，5Gbps或更高速的串行鏈路傳送數據，因此，面臨信號衰減、符號間干擾(ISI)及串擾等幾項主要挑戰，我們如何面對？選用高質(zhì)量的背板連接器？采用高質(zhì)量的PCB材料？或者在設計時(shí)還準備用電阻，電容等來(lái)調節好電路的參數嗎？這些想法致使成本大增，而且多半會(huì )是收效甚微。但是如果考使用慮具有預加重和接收均衡的接口芯片進(jìn)行高速電路的背板設計，會(huì )取得很好的效果。

高速背板設計考慮

　　隨著(zhù)數據速率超出1Gbps水平，設計人員必須解決其背板系統設計中的新問(wèn)題。這些背板的信號完整性受趨膚效應、介電損耗、串擾引起的更大噪聲以及符號間干擾(ISI)等因素的影響?！?/p>

　　趨膚效應是這樣一種現象，即隨著(zhù)頻率的增加，大部分電流將集中于外部導體上。由趨膚效應所引起的損耗與頻率的平方根、走線(xiàn)的寬度和高度成正比。介電損耗是由板電介質(zhì)熱損耗所引起，且隨頻率線(xiàn)性增加。在較高頻率上，介電損耗便成為一個(gè)較嚴重的問(wèn)題。這些損耗不僅降低信號的幅度而且還減慢信號的邊緣速度，進(jìn)而造成信號發(fā)散及抖動(dòng)容限較差。

　　因為衰減較少的低頻分量與衰減較多的高頻分量在接收器上相加，信號發(fā)散將導致符號間干擾。結果，其眼圖開(kāi)口變小，因此更難在接收端上恢復，從而導致無(wú)法接受的誤碼率。這限制了最大位速率。在較低速率上，可對ISI進(jìn)行校正，因為有足夠的時(shí)序余量。但在較高速率上，ISI不再只限于信號邊界，而是能影響整個(gè)位寬度。

　　噪聲的主要來(lái)源是由高密度的連接器及背板走線(xiàn)引起的串擾。串擾是高密度連接器與背板布局布線(xiàn)導致的一種主要噪聲源。有兩種類(lèi)型的串擾：近端串擾與遠端串擾?？拷芎邮掌鞯陌l(fā)射器發(fā)出的信號干擾接收的信號時(shí)將引起近端串擾。而當接收信號受到與受害接收器相連的“遠端發(fā)射器”干擾時(shí)則會(huì )引起遠端串擾。所有這些信道損害均可在背板互連器件中用特殊的信號調整(例如預加重及均衡等)電路來(lái)予以補償或消除。這些電路通過(guò)衰減低頻分量及放大高頻分量來(lái)補償信號損耗。

　　除了信號頻率對串擾有較大影響外，信號的邊沿變化（上升沿和下降沿）對串擾的影響更大，邊沿變化越快，串擾越大。因此在高速背板設計時(shí) ,我們不得不考率這些因素。

預加重與均衡技術(shù)

　　預加重：此項技術(shù)在信號發(fā)送前對其進(jìn)行預扭曲，以使接收器上的信號質(zhì)量如同原始發(fā)送的質(zhì)量。當信號在直流電平上保持超過(guò)一個(gè)比特的時(shí)間時(shí)，預加重就會(huì )抬高高頻分量而降低低頻分量。在設計這些方法的過(guò)程中，系統設計人員必須仔細控制輸出幅度以限制輸出功率[1]。

　　圖1是一個(gè)提高75%的預加重事例，并且根據眼圖的好壞，其幅度和預加重比例均可以通過(guò)參數進(jìn)行調節。

圖1   75%預加重配置

　　接收均衡：接收均衡通過(guò)對輸入數據運用相對頻率特征來(lái)補償信道的損耗特征。有兩種均衡電路：固定式與自適應式。固定式均衡器對補償特征進(jìn)行手工設置，而自適應式均衡器則采用自適應算法來(lái)設置最佳補償特征，這使用戶(hù)能將一種器件應用于各種不同的信道。它還能對制造偏差及環(huán)境變化給信道特征帶來(lái)的變化進(jìn)行自動(dòng)補償?！∥覀円话闶褂霉潭ㄊ骄馄?，同樣也可根據眼圖的好壞，通過(guò)參數進(jìn)行調節均衡，使其達到最好效果。

工程設計

　　在10G的設計中，我們沒(méi)有對背板和連接器要求太高，只是采用了帶有預加重和接收均衡的接口芯片，從而達到了較為理想的效果。

　　Switch芯片發(fā)出數據給Phy芯片, 數據通過(guò)Phy芯片出去再通過(guò)預加重和接收均衡芯片，再通過(guò)背板發(fā)給對方。在發(fā)送側，對發(fā)出去的數據根據眼圖效果，調節其預加重的幅度及其比例，同時(shí)對于收到的數據著(zhù)重調節其均衡，有時(shí)預加重和均衡都要同時(shí)調節才能達到更好的效果。
帶有預加重均衡收發(fā)功能圖示于圖2。

圖2   帶有預加重均衡收發(fā)功能

　　工程實(shí)測眼圖如下：

　　圖3是接口芯片前的波形。

圖3 接口芯片前的波形

　　通過(guò)接口芯片調節均衡后接收的波形示于圖4。

圖4 均衡后接收的波形

　　均衡出來(lái)后，使抖動(dòng)，噪聲明顯降低。

　　接口芯片前的波形（圖5）。

圖5 接口芯片前的波形

　　通過(guò)接口芯片通過(guò)預加重處理后波形示于圖6。

圖6 預加重后處理的波形

　　明顯使眼圖張開(kāi)度更大，上升下降相對變陡，眼圖效果更好了。

結語(yǔ)

　　實(shí)踐證明：在高速背板信號設計中，特別對于速率高于3.125G,且傳輸長(cháng)度達1.5m以上的信號時(shí)，要考慮采用帶有預加重和接收均衡的接口芯片，這樣才能達到設計要求，不丟包，眼圖好，抖動(dòng)小，噪聲低。

參考文獻：
1.  Pmc8380.pdf