預加重和均衡技術在高速背板設計中的應用

引言

　　路由器、以太網交換機、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？選用高質量的背板連接器？采用高質量的PCB材料？或者在設計時還準備用電阻，電容等來調節好電路的參數嗎？這些想法致使成本大增，而且多半會是收效甚微。但是如果考使用慮具有預加重和接收均衡的接口芯片進行高速電路的背板設計，會取得很好的效果。

高速背板設計考慮

　　隨著數據速率超出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。　

　　趨膚效應是這樣一種現象，即隨著頻率的增加，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、走線的寬度和高度成正比。介電損耗是由板電介質熱損耗所引起，且隨頻率線性增加。在較高頻率上，介電損耗便成為一個較嚴重的問題。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，進而造成信號發散及抖動容限較差。

　　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，信號發散將導致符號間干擾。結果，其眼圖開口變小，因此更難在接收端上恢復，從而導致無法接受的誤碼率。這限制了最大位速率。在較低速率上，可對ISI進行校正，因為有足夠的時序余量。但在較高速率上，ISI不再只限于信號邊界，而是能影響整個位寬度。

　　噪聲的主要來源是由高密度的連接器及背板走線引起的串擾。串擾是高密度連接器與背板布局布線導致的一種主要噪聲源。有兩種類型的串擾：近端串擾與遠端串擾。靠近受害接收器的發射器發出的信號干擾接收的信號時將引起近端串擾。而當接收信號受到與受害接收器相連的“遠端發射器”干擾時則會引起遠端串擾。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)電路來予以補償或消除。這些電路通過衰減低頻分量及放大高頻分量來補償信號損耗。

　　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 ,我們不得不考率這些因素。

預加重與均衡技術

　　預加重：此項技術在信號發送前對其進行預扭曲，以使接收器上的信號質量如同原始發送的質量。當信號在直流電平上保持超過一個比特的時間時，預加重就會抬高高頻分量而降低低頻分量。在設計這些方法的過程中，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參數進行調節。

圖1   75%預加重配置

　　接收均衡：接收均衡通過對輸入數據運用相對頻率特征來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行手工設置，而自適應式均衡器則采用自適應算法來設置最佳補償特征，這使用戶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境變化給信道特征帶來的變化進行自動補償。　我們一般使用固定式均衡器，同樣也可根據眼圖的好壞，通過參數進行調節均衡，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芯片發出數據給Phy芯片, 數據通過Phy芯片出去再通過預加重和接收均衡芯片，再通過背板發給對方。在發送側，對發出去的數據根據眼圖效果，調節其預加重的幅度及其比例，同時對于收到的數據著重調節其均衡，有時預加重和均衡都要同時調節才能達到更好的效果。
帶有預加重均衡收發功能圖示于圖2。

圖2   帶有預加重均衡收發功能

　　工程實測眼圖如下：

　　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

　　均衡出來后，使抖動，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

　　通過接口芯片通過預加重處理后波形示于圖6。

圖6 預加重后處理的波形

　　明顯使眼圖張開度更大，上升下降相對變陡，眼圖效果更好了。

結語

　　實踐證明：在高速背板信號設計中，特別對于速率高于3.125G,且傳輸長度達1.5m以上的信號時，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，抖動小，噪聲低。

參考文獻：
1.  Pmc8380.pdf