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如何快速解決高速系統的信號完整性問題
2014/09/16
Greta
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隨著數據速率的不斷提高，信號完整性問題已經成為設計工程師要考慮的最關鍵因素。這種呈指數式的數據速率上升可以從手持移動設備和消費類顯示產品到高帶寬路由器/交換機等應用中看到。抖動(噪聲)是降低設計中信號完整性水平的首要原因。除了利用布板、阻抗匹配和更昂貴的材料實現信號完整性增強技術之外，設計師還可以簡單地在設計中增加諸如均衡器這樣的抖動消除器來解決抖動問題。這樣設計師就不用專注于信號完整性問題，而把主要精力放在系統的核心設計上。
信號布線在以前通常被看作是一種簡單的概念，從布線角度看，視頻信號、語音信號或數據信號之間沒有什么區別。因此過去很少有人關心信號布線問題。然而，現在情況有了完全的改變。視頻信號傳輸速度目前已經達到每個通道3.3Gbps，數據信號更是遠超過每通道5Gbps。高速串行標準類似PCI Express、XAUI、SATA、TMDS和Display Port等，要求設計團隊和工程師不僅要考慮信號完整性問題，而且要對它將如何影響系統的性能和可靠性有深刻的理解。
為了掌握這方面的知識，工程師首先必須懂得在系統中影響信號完整性的因素是什么。通過增加信號抖動可以觀察到系統中出現的信號完整性損失。系統的總抖動主要由兩類抖動組成，分別是隨機性抖動和確定性抖動。隨機性抖動是無限并在本質上服從高斯分布的，而確定性抖動是有限并可預測的。在90%的系統中，確定性抖動是設計工程師必須解決的主要的信號完整性問題。
確定性抖動包含碼間干擾(ISI)、占空比失真和周期性抖動，它們分別是由帶寬限制問題、時鐘周期的不對稱以及交叉耦合或EMI問題引起的。諸如連接器等無源器件、PCB走線、長線纜以及沿著走線布放的其它無源器件是引起確定性抖動的最主要來源。
信號頻率越高，衰減越大，因此會造成指定數據流中的功率電平失配，而這種功率電平失配又會導致信號中發生ISI。ISI將降低信號完整性，這足以阻止接收器在接收端從信號中正確提取任何真實的數據。
功率電平失配的原因是沒有設計工程師可以保證數據在設計中的傳輸。數據可能會是不斷地變化(0-1-0-1-0-1等)，也可能恒定不變(1-1-1-1-1-1等)。明顯地，上述6個變化比特的占空比要比6個“1”恒定數據流的占空比小6倍。由于占空比小6倍，信號頻率就要高6倍。如果數據流同時包含上述兩種類型，那么接收端信號就會帶有差異很大的功率電平，因為頻率越高衰減越大。
解決功率失配問題
大多數高速信號的標準規定要盡量減少無變化的連續比特數量，比如8B/10B編碼。這種編碼方案可以確保數據流不會有超過4個連續不變的比特。然而，接收端信號中仍有可能出現4倍高功率的部分。
為了補償功率電平失配以減少ISI，設計師可以使用均衡或去加重技術。均衡技術將對所有高速比特進行功率提升，使接收信號中高速比特與低速比特具有相同的功率電平，從而達到減少功率電平失配的目的。
去加重與均衡恰恰相反，但抱有同樣的目標：盡量減少功率電平失配。它是通過降低低速比特的功率完成的，而均衡是增加高速比特的功率。因此，去加重只能作用于發送比特，而均衡只能作用于接收比特。
這并不是消除確定性抖動的唯一方法，但用戶最有可能需求某種類型的發送器抖動消除器，比如上述的去加重。而真正的抖動消除方案同時需要上述兩種電路。
不要讓抖動壞了你的設計，因為低成本的信號調理解決方案已經面市。采用均衡和去加重電路可以消除由于長FR走線、連接器和長電纜引起的抖動，并且你不必擔心要去理解信號完整性增強技術的細節，讓抖動終結器去對付吧!
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