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

—— Pre-emphasis and Equalization Technology Applied in Designing High-speed Backplane

作者：賴萬玖 Utstarcom杭州研發(fā)中心Gepon Dpt 時間：2008-11-27 來源：電子產(chǎn)品世界

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引言

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/89850.htm

　　路由器、以太網(wǎng)交換機、及存儲子系統(tǒng)等基于模塊化機箱的系統(tǒng)中，對高速背板要求有高等級的信號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，面臨信號衰減、符號間干擾(ISI)及串擾等幾項主要挑戰(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)計時還準備用電阻，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行高速電路的背板設(shè)計，會取得很好的效果。

高速背板設(shè)計考慮

　　隨著數(shù)據(jù)速率超出1Gbps水平，設(shè)計人員必須解決其背板系統(tǒng)設(shè)計中的新問題。這些背板的信號完整性受趨膚效應(yīng)、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?！?/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(fā)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(fā)散將導致符號間干擾。結(jié)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(fā)射器發(fā)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(fā)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(diào)整(例如預(yù)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(shè)計時 ,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：此項技術(shù)在信號發(fā)送前對其進行預(yù)扭曲，以使接收器上的信號質(zhì)量如同原始發(fā)送的質(zhì)量。當信號在直流電平上保持超過一個比特的時間時，預(yù)加重就會抬高高頻分量而降低低頻分量。在設(shè)計這些方法的過程中，系統(tǒng)設(shè)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(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(yīng)式。固定式均衡器對補償特征進行手工設(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行自動補償?！∥覀円话闶褂霉潭ㄊ骄馄?，同樣也可根據(jù)眼圖的好壞，通過參數(shù)進行調(diào)節(jié)均衡，使其達到最好效果。

工程設(shè)計

　　在10G的設(shè)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(yù)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(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，同時對于收到的數(shù)據(jù)著重調(diào)節(jié)其均衡，有時預(yù)加重和均衡都要同時調(diào)節(jié)才能達到更好的效果。
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