預(yù)加重和均衡技術(shù)在高速背板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

引言

　　路由器、以太網(wǎng)交換機(jī)、及存儲(chǔ)子系統(tǒng)等基于模塊化機(jī)箱的系統(tǒng)中，對高速背板要求有高等級(jí)的信號(hào)完整性及更高的系統(tǒng)吞吐量。今天，一些系統(tǒng)中的背板正采用3.125G，5Gbps或更高速的串行鏈路傳送數(shù)據(jù)，因此，面臨信號(hào)衰減、符號(hào)間干擾(ISI)及串?dāng)_等幾項(xiàng)主要挑戰(zhàn)，我們?nèi)绾蚊鎸?？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(shè)計(jì)時(shí)還準(zhǔn)備用電阻，電容等來調(diào)節(jié)好電路的參數(shù)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(yù)加重和接收均衡的接口芯片進(jìn)行高速電路的背板設(shè)計(jì)，會(huì)取得很好的效果。

高速背板設(shè)計(jì)考慮

　　隨著數(shù)據(jù)速率超出1Gbps水平，設(shè)計(jì)人員必須解決其背板系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的新問題。這些背板的信號(hào)完整性受趨膚效應(yīng)、介電損耗、串?dāng)_引起的更大噪聲以及符號(hào)間干擾(ISI)等因素的影響?！?/p>

　　趨膚效應(yīng)是這樣一種現(xiàn)象，即隨著頻率的增加，大部分電流將集中于外部導(dǎo)體上。由趨膚效應(yīng)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(zhì)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(gè)較嚴(yán)重的問題。這些損耗不僅降低信號(hào)的幅度而且還減慢信號(hào)的邊緣速度，進(jìn)而造成信號(hào)發(fā)散及抖動(dòng)容限較差。

　　因?yàn)樗p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(hào)發(fā)散將導(dǎo)致符號(hào)間干擾。結(jié)果，其眼圖開口變小，因此更難在接收端上恢復(fù)，從而導(dǎo)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(jìn)行校正，因?yàn)橛凶銐虻臅r(shí)序余量。但在較高速率上，ISI不再只限于信號(hào)邊界，而是能影響整個(gè)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?dāng)_。串?dāng)_是高密度連接器與背板布局布線導(dǎo)致的一種主要噪聲源。有兩種類型的串?dāng)_：近端串?dāng)_與遠(yuǎn)端串?dāng)_?？拷芎邮掌鞯陌l(fā)射器發(fā)出的信號(hào)干擾接收的信號(hào)時(shí)將引起近端串?dāng)_。而當(dāng)接收信號(hào)受到與受害接收器相連的“遠(yuǎn)端發(fā)射器”干擾時(shí)則會(huì)引起遠(yuǎn)端串?dāng)_。所有這些信道損害均可在背板互連器件中用特殊的信號(hào)調(diào)整(例如預(yù)加重及均衡等)電路來予以補(bǔ)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(bǔ)償信號(hào)損耗。

　　除了信號(hào)頻率對串?dāng)_有較大影響外，信號(hào)的邊沿變化（上升沿和下降沿）對串?dāng)_的影響更大，邊沿變化越快，串?dāng)_越大。因此在高速背板設(shè)計(jì)時(shí) ,我們不得不考率這些因素。

預(yù)加重與均衡技術(shù)

　　預(yù)加重：此項(xiàng)技術(shù)在信號(hào)發(fā)送前對其進(jìn)行預(yù)扭曲，以使接收器上的信號(hào)質(zhì)量如同原始發(fā)送的質(zhì)量。當(dāng)信號(hào)在直流電平上保持超過一個(gè)比特的時(shí)間時(shí)，預(yù)加重就會(huì)抬高高頻分量而降低低頻分量。在設(shè)計(jì)這些方法的過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)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(yù)加重事例，并且根據(jù)眼圖的好壞，其幅度和預(yù)加重比例均可以通過參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1   75%預(yù)加重配置

　　接收均衡：接收均衡通過對輸入數(shù)據(jù)運(yùn)用相對頻率特征來補(bǔ)償信道的損耗特征。有兩種均衡電路：固定式與自適應(yīng)式。固定式均衡器對補(bǔ)償特征進(jìn)行手工設(shè)置，而自適應(yīng)式均衡器則采用自適應(yīng)算法來設(shè)置最佳補(bǔ)償特征，這使用戶能將一種器件應(yīng)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的變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。　我們一般使用固定式均衡器，同樣也可根據(jù)眼圖的好壞，通過參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)均衡，使其達(dá)到最好效果。

工程設(shè)計(jì)

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

　　Switch芯片發(fā)出數(shù)據(jù)給Phy芯片, 數(shù)據(jù)通過Phy芯片出去再通過預(yù)加重和接收均衡芯片，再通過背板發(fā)給對方。在發(fā)送側(cè)，對發(fā)出去的數(shù)據(jù)根據(jù)眼圖效果，調(diào)節(jié)其預(yù)加重的幅度及其比例，同時(shí)對于收到的數(shù)據(jù)著重調(diào)節(jié)其均衡，有時(shí)預(yù)加重和均衡都要同時(shí)調(diào)節(jié)才能達(dá)到更好的效果。
帶有預(yù)加重均衡收發(fā)功能圖示于圖2。

圖2   帶有預(yù)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

　　通過接口芯片調(diào)節(jié)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(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

　　通過接口芯片通過預(yù)加重處理后波形示于圖6。

圖6 預(yù)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(jié)語

　　實(shí)踐證明：在高速背板信號(hào)設(shè)計(jì)中，特別對于速率高于3.125G,且傳輸長度達(dá)1.5m以上的信號(hào)時(shí)，要考慮采用帶有預(yù)加重和接收均衡的接口芯片，這樣才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不丟包，眼圖好，抖動(dòng)小，噪聲低。

參考文獻(xiàn)：
1.  Pmc8380.pdf