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運用均衡和去加重方法快速解決訊號完整性問題

上網時間: 2007年10月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:訊號完整性  確定性抖動  均衡器 

隨著數據速率不斷提高,訊號完整性問題已經成為設計工程師必須考慮的最關鍵因素。從手持行動設備和消費性顯示產品到高頻寬路由器/交換機等應用,都可看到這種呈指數級上升的數據速率。抖動(噪音)是導致設計中訊號完整性降低的首要原因。除了透過佈局、阻抗匹配和採用更昂貴的材料實現訊號完整性增強技術外,設計師還可以簡單地在設計中增加諸如均衡器這類抖動消除器來解決抖動問題。如此一來,設計師就不用專注於訊號完整性問題,能將主要精力放在系統的核心設計上。

過去,訊號佈線通常被視為一種簡單的概念,從佈線角度看,視訊訊號、語音訊號或數據訊號之間沒有什麼區別。因此過去很少有人關心訊號佈線問題。然而,現在情況已全然改變。視訊訊號的傳輸速度目前已經達到每個通道3.3Gbps,數據訊號更是遠超過每通道5Gbps。高速串列標準如PCI ExpressXAUI、SATA、TMDS和Display Port等,都要求設計團隊和工程師不僅要考慮訊號完整性問題,而且必須深入瞭它將如何影響系統的性能和可靠性。

為了掌握這方面的知識,工程師首先必須瞭解在系統中影響訊號完整性的主要因素。透過增加訊號抖動可以觀察到系統中出現的訊號完整性損失。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。自然界的隨機性抖動是無限並具有高斯分佈特性,而確定性抖動是有限並可預測的。在90%的系統中,確定性抖動是設計工程師必須解決的最主要訊號完整性問題。

確定性抖動包含符號間干擾(ISI)、工作週期失真和週期性抖動,它們分別是由頻寬限制問題、時脈週期的不對稱以及交叉耦合或EMI問題引起的。連接器、PCB走線、長電纜以及沿著走線放置的其它被動元件是引起確定性抖動的最主要來源。

訊號頻率越高,衰減就越大,因此會造成指定數據串流中的功率電平失配,而這種功率電平失配又會導致訊號中產生ISI。ISI將降低訊號完整性,這足以阻止接收器在接收端從訊號中正確擷取任何真實的數據。

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?定不變(1-1-1-1-1-1等)。明顯地,上述6個變化位元的工作週期要比6個連續1?定數據串流的工作週期小6倍。由於工作週期小6倍,訊號頻率就要高6倍。如果數據串流同時包含上述兩種類型,那麼接收端訊號就會具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

大多數高速訊號的標準都規定要盡量減少無變化的連續位元數量,如8B/10B編碼。這種編碼方案可以確保數據串流不會有超過4個連續不變的位元。然而,接收端的記錄中仍有可能出現4倍高功率的部份。

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位元進行功率提升,使接收訊號中高速位元與低速位元具有相同的功率電平,將功率電平失配降至最小。

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。它是透過降低低速位元的功率完成的,而均衡是增加高速位元的功率。因此,去加重只能作用於發送位元,而均衡只能作用於接收位元。

這並不是消除確定性抖動的唯一方法,但用戶最有可能需要某種類型的發送器抖動消除器,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。

不要讓抖動破壞你的設計,因為低成本的訊號調理解決方案已經上市。採用均衡和去加重電路可以消除由於長FR走線、連接器和長電纜引起的抖動,你無須擔心要瞭解訊號完整性增強技術的細節,讓抖動終結器去對付它吧!

圖:在有均衡(上)和無均衡(下)條件下測量經過25公尺電纜傳輸的訊號所得的訊號完整性結果。
圖:在有均衡(上)和無均衡(下)條件下測量經過25公尺電纜傳輸的訊號所得的訊號完整性結果。
圖:在有均衡(上)和無均衡(下)條件下測量經過25公尺電纜傳輸的訊號所得的訊號完整性結果。

作者:Abdullah Raouf

產品行銷經理

Pericom Semiconductor

araouf@pericom.com





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