如何快速解決高速系統(tǒng)的信號(hào)完整性問題

隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，信號(hào)完整性問題已經(jīng)成為設(shè)計(jì)工程師要考慮的最關(guān)鍵因素。這種呈指數(shù)式的數(shù)據(jù)速率上升可以從手持移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)類顯示產(chǎn)品到高帶寬路由器/交換機(jī)等應(yīng)用中看到。抖動(dòng)(噪聲)是降低設(shè)計(jì)中信號(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性增強(qiáng)技術(shù)之外，設(shè)計(jì)師還可以簡(jiǎn)單地在設(shè)計(jì)中增加諸如均衡器這樣的抖動(dòng)消除器來解決抖動(dòng)問題。這樣設(shè)計(jì)師就不用專注于信號(hào)完整性問題，而把主要精力放在系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)上。 

信號(hào)布線在以前通常被看作是一種簡(jiǎn)單的概念，從布線角度看，視頻信號(hào)、語音信號(hào)或數(shù)據(jù)信號(hào)之間沒有什么區(qū)別。因此過去很少有人關(guān)心信號(hào)布線問題。然而，現(xiàn)在情況有了完全的改變。視頻信號(hào)傳輸速度目前已經(jīng)達(dá)到每個(gè)通道3.3Gbps，數(shù)據(jù)信號(hào)更是遠(yuǎn)超過每通道5Gbps。高速串行標(biāo)準(zhǔn)類似PCI Express、XAUI、SATA、TMDS和Display Port等，要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和工程師不僅要考慮信號(hào)完整性問題，而且要對(duì)它將如何影響系統(tǒng)的性能和可靠性有深刻的理解。 

為了掌握這方面的知識(shí)，工程師首先必須懂得在系統(tǒng)中影響信號(hào)完整性的因素是什么。通過增加信號(hào)抖動(dòng)可以觀察到系統(tǒng)中出現(xiàn)的信號(hào)完整性損失。系統(tǒng)的總抖動(dòng)主要由兩類抖動(dòng)組成，分別是隨機(jī)性抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)。隨機(jī)性抖動(dòng)是無限并在本質(zhì)上服從高斯分布的，而確定性抖動(dòng)是有限并可預(yù)測(cè)的。在90%的系統(tǒng)中，確定性抖動(dòng)是設(shè)計(jì)工程師必須解決的主要的信號(hào)完整性問題。 

確定性抖動(dòng)包含碼間干擾(ISI)、占空比失真和周期性抖動(dòng)，它們分別是由帶寬限制問題、時(shí)鐘周期的不對(duì)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(zhǎng)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(dòng)的最主要來源。 

信號(hào)頻率越高，衰減越大，因此會(huì)造成指定數(shù)據(jù)流中的功率電平失配，而這種功率電平失配又會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中發(fā)生ISI。ISI將降低信號(hào)完整性，這足以阻止接收器在接收端從信號(hào)中正確提取任何真實(shí)的數(shù)據(jù)。 

功率電平失配的原因是沒有設(shè)計(jì)工程師可以保證數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)中的傳輸。數(shù)據(jù)可能會(huì)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(gè)變化比特的占空比要比6個(gè)“1”恒定數(shù)據(jù)流的占空比小6倍。由于占空比小6倍，信號(hào)頻率就要高6倍。如果數(shù)據(jù)流同時(shí)包含上述兩種類型，那么接收端信號(hào)就會(huì)帶有差異很大的功率電平，因?yàn)轭l率越高衰減越大。
 
解決功率失配問題 

大多數(shù)高速信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要盡量減少無變化的連續(xù)比特?cái)?shù)量，比如8B/10B編碼。這種編碼方案可以確保數(shù)據(jù)流不會(huì)有超過4個(gè)連續(xù)不變的比特。然而，接收端信號(hào)中仍有可能出現(xiàn)4倍高功率的部分。 

為了補(bǔ)償功率電平失配以減少ISI，設(shè)計(jì)師可以使用均衡或去加重技術(shù)。均衡技術(shù)將對(duì)所有高速比特進(jìn)行功率提升，使接收信號(hào)中高速比特與低速比特具有相同的功率電平，從而達(dá)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(biāo)：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(fā)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(dòng)的唯一方法，但用戶最有可能需求某種類型的發(fā)送器抖動(dòng)消除器，比如上述的去加重。而真正的抖動(dòng)消除方案同時(shí)需要上述兩種電路。 

不要讓抖動(dòng)壞了你的設(shè)計(jì)，因?yàn)榈统杀镜男盘?hào)調(diào)理解決方案已經(jīng)面市。采用均衡和去加重電路可以消除由于長(zhǎng)FR走線、連接器和長(zhǎng)電纜引起的抖動(dòng)，并且你不必?fù)?dān)心要去理解信號(hào)完整性增強(qiáng)技術(shù)的細(xì)節(jié)，讓抖動(dòng)終結(jié)器去對(duì)付吧!