预加重和均衡技术在高速背板设计中的应用

引言

　　路由器、以太网交换机、及存储子系统等基于模块化机箱的系统中，对高速背板要求有高等级的信号完整性及更高的系统吞吐量。今天，一些系统中的背板正采用3.125G，5Gbps或更高速的串行链路传送数据，因此，面临信号衰减、符号间干扰(ISI)及串扰等几项主要挑战，我们如何面对？选用高质量的背板连接器？采用高质量的PCB材料？或者在设计时还准备用电阻，电容等来调节好电路的参数吗？这些想法致使成本大增，而且多半会是收效甚微。但是如果考使用虑具有预加重和接收均衡的接口芯片进行高速电路的背板设计，会取得很好的效果。

高速背板设计考虑

　　随着数据速率超出1Gbps水平，设计人员必须解决其背板系统设计中的新问题。这些背板的信号完整性受趋肤效应、介电损耗、串扰引起的更大噪声以及符号间干扰(ISI)等因素的影响。　

　　趋肤效应是这样一种现象，即随着频率的增加，大部分电流将集中于外部导体上。由趋肤效应所引起的损耗与频率的平方根、走线的宽度和高度成正比。介电损耗是由板电介质热损耗所引起，且随频率线性增加。在较高频率上，介电损耗便成为一个较严重的问题。这些损耗不仅降低信号的幅度而且还减慢信号的边缘速度，进而造成信号发散及抖动容限较差。

　　因为衰减较少的低频分量与衰减较多的高频分量在接收器上相加，信号发散将导致符号间干扰。结果，其眼图开口变小，因此更难在接收端上恢复，从而导致无法接受的误码率。这限制了最大位速率。在较低速率上，可对ISI进行校正，因为有足够的时序余量。但在较高速率上，ISI不再只限于信号边界，而是能影响整个位宽度。

　　噪声的主要来源是由高密度的连接器及背板走线引起的串扰。串扰是高密度连接器与背板布局布线导致的一种主要噪声源。有两种类型的串扰：近端串扰与远端串扰。靠近受害接收器的发射器发出的信号干扰接收的信号时将引起近端串扰。而当接收信号受到与受害接收器相连的“远端发射器”干扰时则会引起远端串扰。所有这些信道损害均可在背板互连器件中用特殊的信号调整(例如预加重及均衡等)电路来予以补偿或消除。这些电路通过衰减低频分量及放大高频分量来补偿信号损耗。

　　除了信号频率对串扰有较大影响外，信号的边沿变化（上升沿和下降沿）对串扰的影响更大，边沿变化越快，串扰越大。因此在高速背板设计时 ,我们不得不考率这些因素。

预加重与均衡技术

　　预加重：此项技术在信号发送前对其进行预扭曲，以使接收器上的信号质量如同原始发送的质量。当信号在直流电平上保持超过一个比特的时间时，预加重就会抬高高频分量而降低低频分量。在设计这些方法的过程中，系统设计人员必须仔细控制输出幅度以限制输出功率[1]。

　　图1是一个提高75%的预加重事例，并且根据眼图的好坏，其幅度和预加重比例均可以通过参数进行调节。

图1   75%预加重配置

　　接收均衡：接收均衡通过对输入数据运用相对频率特征来补偿信道的损耗特征。有两种均衡电路：固定式与自适应式。固定式均衡器对补偿特征进行手工设置，而自适应式均衡器则采用自适应算法来设置最佳补偿特征，这使用户能将一种器件应用于各种不同的信道。它还能对制造偏差及环境变化给信道特征带来的变化进行自动补偿。　我们一般使用固定式均衡器，同样也可根据眼图的好坏，通过参数进行调节均衡，使其达到最好效果。

工程设计

　　在10G的设计中，我们没有对背板和连接器要求太高，只是采用了带有预加重和接收均衡的接口芯片，从而达到了较为理想的效果。

　　Switch芯片发出数据给Phy芯片, 数据通过Phy芯片出去再通过预加重和接收均衡芯片，再通过背板发给对方。在发送侧，对发出去的数据根据眼图效果，调节其预加重的幅度及其比例，同时对于收到的数据着重调节其均衡，有时预加重和均衡都要同时调节才能达到更好的效果。
带有预加重均衡收发功能图示于图2。

图2   带有预加重均衡收发功能

　　工程实测眼图如下：

　　图3是接口芯片前的波形。

图3 接口芯片前的波形

　　通过接口芯片调节均衡后接收的波形示于图4。

图4 均衡后接收的波形

　　均衡出来后，使抖动，噪声明显降低。

　　接口芯片前的波形（图5）。

图5 接口芯片前的波形

　　通过接口芯片通过预加重处理后波形示于图6。

图6 预加重后处理的波形

　　明显使眼图张开度更大，上升下降相对变陡，眼图效果更好了。

结语

　　实践证明：在高速背板信号设计中，特别对于速率高于3.125G,且传输长度达1.5m以上的信号时，要考虑采用带有预加重和接收均衡的接口芯片，这样才能达到设计要求，不丢包，眼图好，抖动小，噪声低。

参考文献：
1.  Pmc8380.pdf