差分传输线中的插损如何用均衡器消除？

lastimy

对于速度的渴求始终在增长，传输速率每隔几年就会加倍。这一趋势在诸如计算、SAS和SATA存储方面的PCIe以及云计算中的千兆以太网等很多现代通信系统中很普遍。信息革命对通过传输介质传送数据提出了巨大挑战。目前的传输介质仍然依赖于铜线，数据链路中的信号速率可以达到大于25Gbps，并且端口吞吐量可以大于100Gbps。

这些串行数据传输设计使用差分信号的方式，通过被称为差分对的一对铜线来传送数据。A线路和B线路内的信号是等振幅、反相位高速脉冲。差分信号在很多电路上有使用，比如LVDS，CML和PECL等等。

传送一个理想的串行比特流

串行比特流是通过一个差分对传播的差分信号。如图1所示，差分信号的预计到达时间是一样的，这样的话，它们在接收端上保持差分信号的属性（等振幅、反相位）。一个接收器被用来恢复信号，然后正确地采样和恢复数据，从而实现无误差数据传输。file:///http://image.ednchina.com/201601/ti20160125001.jpg

图1：理想差分对的电气属性

对于差分对的要求一个良好设计差分对是成功进行高速数据传输的关键因素。根据应用的不同，差分对可以是一对印刷电路板 (PCB) 走线，一对双绞线或一对共用绝缘和屏蔽的并行线（通常称为Twin-axial电缆）。

在这一系列中，我将讨论差分对的特点，以及针对高速数据传输的设计问题和解决方案。让我们研究一下差分对的主要要求：

·A线路和B线路都需要保持相当恒定和相等的特性阻抗，通常称为奇模阻抗，此时两条线路均差分激励。

·差分信号应该在到达目的端时保持差分信号的属性：几乎相等的振幅和相反的相位。

·每条线路的插入损耗应该大致相等。

·每条线路的传播延迟应该大致相等。

总之，我们应该寻求相等并且相当恒定的奇模阻抗，从而最大限度地减少从源端到目的端整条差分对长度上的阻抗波动。我们也应当使A线路与B线路之间的延迟匹配和插入损耗匹配。此外，我们需要确保插入损耗不会太多，这样的话，接收器能够正确地恢复数据。

为了满足上述要求，A线路和B线路应该在它们的物理布局布线中保持高对称。发射器和接收器也应该在它们的A和B线路电路中保持高对称，这样的话，它们在A线路和B线路上的电气负载相等。在理想情况下，差分对是完全对称的，此时具有无限带宽并且邻近信号之间完全隔离。在现实情况下，差分信号通过集成电路 (IC) 封装、外部器件、不同的PCB结构、连接器和电缆连接子系统进行传播。实现完全对称的差分对是件不太容易的事情。

前文谈论了对于差分对的要求。在现实应用中，我们用印刷电路板（PCB）内的铜走线或线缆组装件内的铜质导线来实现差分对。较长的PCB走线或线缆会出现较高的传输损耗，该损耗会劣化信号质量。下面将说明插入损耗如何能影响差分对的信号质量，并解释均衡器如何能消除这种影响。

什么是插入损耗？

传输损耗包含两部分：低频率下的趋肤效应损耗（skin loss）和高频率下的介电损耗。趋肤效应损耗取决于互连部分的截面面积；例如，PCB走线的宽度和金属厚度，或线缆的导线直径。当频率在几百兆赫以下时，趋肤效应损耗是主要传输损耗，并与频率的平方根成比例。当频率较高时，介电损耗则成为主要传输损耗。介电损耗的量取决于电介质的材料属性，且与频率成正比。插入损耗是一个常见术语，用来描述互连部分的传输损耗。它是只有和没有互连部分的两种情况下负载处电压的比值。网络分析仪能按振幅和相位测量插入损耗。

图2展示了FR4板材上两条PCB走线的典型插入损耗：一条走线长5英寸（蓝色），另一条走线长10英寸（红色），但两者具有相等的走线宽度（5 mil）。正如您可从图2中看到的，插入损耗特性与低通滤波器表现出的特性一样，当频率增加时信号衰减量增大。损耗随着PCB走线的长度呈线性增加。file:///http://image.ednchina.com/201601/ti20160125002.jpg

图2：FR4 PCB走线的插入损耗

为什么插入损耗会使信号劣化

数据传输串行比特流中包含不同持续时间的逻辑1和0。在图3中，您可看到发射器波形由较长持续时间（较低频率脉冲）和较短持续时间（较高频率脉冲）的数据位构成。它们的振幅大致相等而且翻转路径几乎相同，因而能产生干净而全开的数据眼。当信号通过PCB走线传送时，低通滤波器效应会减慢脉冲的翻转时间，持续时间短的脉冲没有足够的时间达到其满振幅。

此外，高频率脉冲的衰减量还比低频率脉冲的衰减量大：当到达目的端时，它们的振幅有很大的不同。因为持续时间较长的脉冲和持续时间较短的脉冲具有不同的振幅，所以翻转路径会发生变化，并产生时域抖动。这类抖动具体取决于数据码型，通常被称为码间串扰（ISI）。

图3展示了接收器波形和相应眼图，差分对的插入损耗引起的抖动非常显著。

file:///http://image.ednchina.com/201601/ti20160125003.jpg图3：由插入损耗引起的信号劣化
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如何能解决这种信号劣化问题

上述信号劣化的根本问题是由不等振幅的脉冲（这些脉冲振幅是低通滤波器产生的）导致的。该问题的解决方案是对信号衰减进行抵消，其目标是实现相等的脉冲振幅。均衡器是一种经过专门设计的高通滤波器，其传递函数等于互连部分低通滤波器传递函数的倒数。

有许多常见的均衡器实施方案。您可使用高增益的连续时间线性均衡器（CTLE）, 高频率下可提供的增益较多，在低频率下可提供的增益较少。或者，您也可使用在低频率下产生衰减的高通滤波器，这种滤波器在许多去加重驱动器设计中通常用作发射端均衡器。另外，还有很多数字实现方案，如重定时器中使用的有限脉冲响应滤波器（FIR）或判决反馈均衡器（DFE）。


图4展示了具有CTLE的DS125BR800A，可消除由互连部分引起的ISI抖动。通过选择与互连部分的插入损耗特性相匹配的适当均衡量，该Repeater可清除ISI抖动并在接收信息的目的端提供干净的数据眼图。file:///http://image.ednchina.com/201601/ti20160125004.jpg

图4：CTLE Repeater中继器可消除ISI