高速串行通道的信號(hào)完整性問(wèn)題分析

高曉宇， 楊龍劍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

隨著應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸帶寬和速率需求的不斷增長(zhǎng)，高速串行接口技術(shù)已替代傳統(tǒng)并行接口技術(shù)成為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鳌CI Express、SATA、Hyper Transport、InfiniBand、HDMI等眾多高速串行接口標(biāo)準(zhǔn)被制訂出來(lái)，廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域。如在計(jì)算機(jī)中，PCI Express已替代PCI在系統(tǒng)總線的主流位置，而SATA則替代 PATA在磁盤(pán)互連接口的主流位置。并且，高速串行接口的傳輸速率處于不斷攀升之中。PCI Express 1.0在 2002年推出 1.0版規(guī)范時(shí)，速率為2.5 Gb/s。四年后，PCI Express 2.0升至5.0 Gb/s。2010年 PCI Express 3.0發(fā)布，速率再躍升至 8.0 Gb/s。數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸以如此高的速率運(yùn)行，帶來(lái)一系列信號(hào)完整性問(wèn)題。這些問(wèn)題在傳統(tǒng)并行接口主導(dǎo)的時(shí)代因?yàn)樾盘?hào)速率較低而很少影響到數(shù)據(jù)的正確傳輸。而在高速串行接口互連設(shè)計(jì)中，理解互連通道的信號(hào)完整性問(wèn)題并采取應(yīng)對(duì)解決措施，將是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

1 高速串行通道

“通道”是指信號(hào)從發(fā)送端到接收端所經(jīng)過(guò)的整個(gè)互連路徑。如圖1所示，在一個(gè)背板互連系統(tǒng)，高速串行信號(hào)的傳輸將經(jīng)過(guò)芯片封裝、印制板走線（傳輸線）、過(guò)孔、連接器、背板走線（傳輸線）等，它們共同組成高速串行通道[1]。

圖1 背板互連系統(tǒng)的高速串行通道

2 損耗

銅材質(zhì)的互連部件，如傳輸線、芯片封裝內(nèi)部銅走線、連接器引針等，都會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生損耗。損耗的產(chǎn)生根源主要是兩種：導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗[2]。

導(dǎo)體損耗是指由于銅導(dǎo)體自身固有的電阻而導(dǎo)致的信號(hào)能量損失。信號(hào)流經(jīng)傳輸路徑，而路徑各部分（走線、過(guò)孔、引腳等）并非理想的導(dǎo)體，具有電阻，其實(shí)質(zhì)就如同負(fù)載，必然分去一部分信號(hào)幅度，導(dǎo)致接收端的信號(hào)幅度減小。從這個(gè)基本原理的角度來(lái)看，導(dǎo)體損耗似乎只跟導(dǎo)體的幾何尺寸有關(guān)。然而事實(shí)上，由于趨膚效應(yīng)的存在，高速串行信號(hào)的高頻率特性是導(dǎo)體損耗的主要成因。直流和低頻率信號(hào)（MHz以?xún)?nèi)）沿著導(dǎo)體傳輸時(shí)，電流是均勻分布于導(dǎo)體內(nèi)部的，而在高頻率的情況下，尤其是1 GHz以上時(shí)，在越貼近導(dǎo)體表面的地方，電流分布越密，越貼近導(dǎo)體內(nèi)部中心的地方，電流分布越少。這稱(chēng)為趨膚效應(yīng)。頻率越高，趨膚效應(yīng)越明顯。因?yàn)檫\(yùn)載電流的導(dǎo)體成分減少，趨膚效應(yīng)在效果上等同于電阻增大，將帶來(lái)更大的導(dǎo)體損耗。

介質(zhì)損耗是指信號(hào)在介質(zhì)中的能量損失。傳輸線由信號(hào)路徑、返回路徑及兩者之間的介質(zhì)組成。理想情況下，認(rèn)為介質(zhì)是徹底絕緣的，電阻為無(wú)窮大，外加信號(hào)電壓時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)，因此不會(huì)消耗能量。但實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)世界中的任何介質(zhì)材料都是有電阻率的。信號(hào)傳輸時(shí)在介質(zhì)兩端形成的電壓將產(chǎn)生電流流過(guò)介質(zhì)，造成能量損耗。介質(zhì)損耗也是隨著頻率的上升而增加。

圖2是對(duì)一段20 cm長(zhǎng)、8 mil寬PCB走線的損耗測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹?，頻率超過(guò)1 GHz后，導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗大大增加。

數(shù)字信號(hào)是寬頻帶信號(hào)，其頻譜分布與信號(hào)的上升時(shí)間（上升沿的爬升時(shí)間）有很大關(guān)系。信號(hào)比特速率在10 Mb/s、100 Mb/s這樣的量級(jí)水平時(shí)，上升時(shí)間一般在 1 ns以上，信號(hào)中的高頻分量（1 GHz以上）在整個(gè)頻譜中占的比重很低，即便損耗嚴(yán)重，也不影響信號(hào)波形的基礎(chǔ)框架。所以，低速信號(hào)的損耗對(duì)波形影響有限，可以忽略。而高速串行信號(hào)是快速跳變的信號(hào)，其上升時(shí)間通常在100 ps以?xún)?nèi)，含有大量高頻成分。信號(hào)經(jīng)過(guò)一定距離的傳輸后，高頻成分的損耗將遠(yuǎn)大于低頻成分，信號(hào)波形可能發(fā)生嚴(yán)重畸變。

圖2 傳輸線導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗與頻率的關(guān)系

圖3是一個(gè)5 Gb/s的高速串行信號(hào)經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度的傳輸線后在接收端觀察的眼圖。10 cm傳輸線的眼圖狀況很好。隨著傳輸線長(zhǎng)度增至 20 cm、40 cm，損耗導(dǎo)致的信號(hào)衰減越來(lái)越嚴(yán)重，眼圖的“眼高”越來(lái)越小。在傳輸線長(zhǎng)度80 cm時(shí)，信號(hào)衰減相當(dāng)厲害，“眼高”僅為16 mV，這根本無(wú)法滿(mǎn)足接收端識(shí)別信號(hào)狀態(tài)的門(mén)限條件，接收必然出錯(cuò)。

圖3 不同長(zhǎng)度的傳輸線對(duì)高速串行信號(hào)的衰減情況

3 反射

反射自來(lái)就是影響信號(hào)完整性的關(guān)鍵因素。即便是在33 Mb/s、50 Mb/s、100 Mb/s這樣較低速率等級(jí)的互連系統(tǒng)中，反射問(wèn)題也足以導(dǎo)致信號(hào)接收失常。所以，與損耗不同，反射問(wèn)題在并行接口技術(shù)主導(dǎo)的時(shí)代就已得到了充分重視，是信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

高速串行接口工作速率高達(dá)1 Gb/s以上，無(wú)疑，反射的可能危害性遠(yuǎn)比在并行互連接口中更大。但同樣需要指出的是，信號(hào)的上升時(shí)間才是更本質(zhì)的因素，而非信號(hào)的比特速率。圖4是對(duì)比特速率相同而上升時(shí)間不同的三個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)同一段傳輸線后在接收端的仿真波形比較?？梢钥吹?，上升時(shí)間越快，反射導(dǎo)致的波形“振蕩”越嚴(yán)重。

圖4 不同上升時(shí)間的接收端反射波形

反射發(fā)生的根源在于信號(hào)傳輸通道的阻抗不連續(xù)[3]。發(fā)送端、引腳、走線不均、過(guò)孔、連接器、接收端，凡是阻抗發(fā)生改變的地方，都是通道上的阻抗不連續(xù)點(diǎn)，信號(hào)流經(jīng)時(shí)便發(fā)生反射，造成波形失真。傳統(tǒng)上，板級(jí)互連系統(tǒng)主要采用兩種手段抑制反射：①均勻傳輸線；②端接匹配。均勻傳輸線采用精確的印制板走線阻抗設(shè)計(jì)，確保走線的阻抗連續(xù)無(wú)改變，消除在走線上發(fā)生的反射。端接匹配則是通過(guò)端接使信號(hào)發(fā)送端或接收端的阻抗與傳輸線相匹配，消除在通道兩端發(fā)生的反射。

高速串行互連設(shè)計(jì)仍需要這兩個(gè)手段來(lái)消除反射。但是，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中的側(cè)重點(diǎn)卻有所變化。在端接匹配的運(yùn)用方面，并行接口互連設(shè)計(jì)大多在發(fā)送端進(jìn)行串聯(lián)端接，這種端接方式并不消除信號(hào)在到達(dá)接收端后產(chǎn)生的第一次反射，而是消除反射信號(hào)回到發(fā)送端后的第二次反射。這樣，波形總是疊加了第一次反射的影響。雖然從設(shè)計(jì)的期望來(lái)講，反射應(yīng)當(dāng)消除得越早越好，但在并行互連的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，串聯(lián)端接所達(dá)到的反射抑制效果已經(jīng)足夠。而在高速串行互連設(shè)計(jì)中，信號(hào)的上升時(shí)間達(dá)到100 ps以?xún)?nèi)，反射的危害大大增加，盡早消除第一次反射非常必要。所以，高速串行互連系統(tǒng)最有效的端接匹配方式是在接收端進(jìn)行并聯(lián)端接，如圖 5所示。事實(shí)上，目前大多數(shù)高速串行接口集成電路芯片已將這個(gè)接收端并聯(lián)端接電阻集成于內(nèi)部，板級(jí)電路設(shè)計(jì)通常已不必再考慮端接。

圖5 串聯(lián)端接和并聯(lián)端接

在“均勻傳輸線”方面，高速串行互連設(shè)計(jì)所遇到的挑戰(zhàn)也比并行互連大得多。因?yàn)樾盘?hào)上升時(shí)間非?？?，在過(guò)去可以被忽略的一些細(xì)微環(huán)節(jié)現(xiàn)在也可能導(dǎo)致信號(hào)接收的失常，設(shè)計(jì)必須從整個(gè)通道的層面綜合考慮，減少累積反射影響。比如，在Mb/s速率級(jí)別的并行互連通道的設(shè)計(jì)中，走線時(shí)布下的一、兩個(gè)過(guò)孔屬于阻抗不連續(xù)點(diǎn)，但它對(duì)整個(gè)信號(hào)完整性的影響是比較細(xì)微的，很難成為最終導(dǎo)致信號(hào)接收失敗的根源因素。而在高速串行通道中，一、兩個(gè)過(guò)孔帶來(lái)的反射效應(yīng)也是可觀的。圖6是某高速串行通道的傳輸線上添加兩個(gè)過(guò)孔前后的接收端眼圖仿真對(duì)比?？梢钥吹?，增加兩個(gè)過(guò)孔后，“眼紋”更加雜亂不清，“眼高”降低，抖動(dòng)也明顯增加，這些都是反射增加所導(dǎo)致的后果。

圖6 過(guò)孔帶來(lái)的反射效應(yīng)對(duì)眼圖的改變

4 串?dāng)_

由于電磁場(chǎng)的作用，在一個(gè)通道上傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)部分地耦合到鄰近的其他通道上，從而改變其他通道上正在傳輸信號(hào)的波形，這是串?dāng)_發(fā)生的根本原因。在Mb/s速率級(jí)別的并行互連系統(tǒng)中，串?dāng)_是一個(gè)被熱烈議論的信號(hào)完整性問(wèn)題，但在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，很少遇到完全因?yàn)榇當(dāng)_而導(dǎo)致的信號(hào)接收失敗。這是一個(gè)同損耗類(lèi)似的因素，它對(duì)信號(hào)的危害程度在高速串行互連系統(tǒng)中變得嚴(yán)重起來(lái)。其根源仍在于上升時(shí)間。比較周期相同但上升時(shí)間不同的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)在同樣的傳輸線系統(tǒng)中串?dāng)_到同一個(gè)相鄰信號(hào)通道引起的波形改變，如圖7所示?？梢钥吹?，上升時(shí)間為500 ps的時(shí)鐘信號(hào)在相鄰?fù)ǖ郎袭a(chǎn)生的串?dāng)_幅度僅為80 mV，而上升時(shí)間提高到100 ps后，串?dāng)_幅度大增至300 mV。

圖7 不同上升時(shí)間的串?dāng)_對(duì)比

5 新的分析方法

高速串行接口使用串行器/解串器（SerDes，Serializer/Deserializer）進(jìn)行信號(hào)收發(fā)，并且大多采用8B/10B編碼技術(shù)進(jìn)行線路編碼[4-5]，完全不同于傳統(tǒng)并行接口的傳輸機(jī)制。這種差異使得對(duì)高速串行通道的信號(hào)完整性分析需要采用不同于傳統(tǒng)并行設(shè)計(jì)的新方法。

（1）眼圖分析

眼圖是對(duì)高速串行信號(hào)按“位”連續(xù)捕獲并疊加波形所形成的測(cè)量結(jié)果，是高速串行信號(hào)波形最直觀的反映。評(píng)判眼圖是否合格的最直接的方法就是使用眼圖模板。每一種高速串行接口標(biāo)準(zhǔn)（PCI Express、SATA、Hyper Transport、InfiniBand、HDMI等）都會(huì)在其規(guī)范中發(fā)布眼圖模板，該模板規(guī)定了正確接收數(shù)據(jù)所需要的信號(hào)眼圖規(guī)格，包括信號(hào)能夠出現(xiàn)的區(qū)域和不能出現(xiàn)的區(qū)域。將實(shí)測(cè)的信號(hào)眼圖與標(biāo)準(zhǔn)眼圖模板相比較，信號(hào)是否合格便一目了然。

（2）抖動(dòng)分析

抖動(dòng)是指信號(hào)在時(shí)域上的跳變位置相對(duì)于其理想位置的偏差。在高速串行互連系統(tǒng)中，損耗、反射、串?dāng)_等各種因素都會(huì)造成信號(hào)的抖動(dòng)。由于高速串行信號(hào)采用接收端時(shí)鐘恢復(fù)的傳輸機(jī)制，抑制抖動(dòng)對(duì)于信號(hào)的正確接收至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)抖動(dòng)進(jìn)行分析，可以掌握抖動(dòng)背后的根源因素，便能對(duì)癥下藥，在高速串行通道的設(shè)計(jì)中進(jìn)行改進(jìn)。

（3）碼間干擾（ISI）

高速串行信號(hào)是一位一位地進(jìn)行發(fā)送的，如果由于傳輸通道的限制，導(dǎo)致信號(hào)位的波形“拖尾”、“展寬”等超越了一位的寬度，進(jìn)入到相鄰位甚至附近其他位的區(qū)域，從而對(duì)其他位的狀態(tài)造成影響，這便是碼間干擾現(xiàn)象[6]。對(duì)ISI進(jìn)行評(píng)估是分析高速串行信號(hào)完整性的一個(gè)重要手段。

6 結(jié)語(yǔ)

高速串行接口技術(shù)的應(yīng)用給高速串行通道的設(shè)計(jì)帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)。由于信號(hào)的上升時(shí)間變得越來(lái)越快，損耗、反射、串?dāng)_等導(dǎo)致的信號(hào)畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重。只有深入理解各個(gè)根源因素造成信號(hào)畸變的原理，并清楚它們?cè)诘皖l與高頻時(shí)表現(xiàn)的不同程度，才能正確把握高速串行通道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)。

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