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高速串行设计－均衡器
——高速串行
处
串行数字电路可以分为发送端（<
/p>
TX
）、信道（
CHANNEL
）、接收端（
RX
）三
部分，如下图一所示。眼图医生可以对串行数字链路中三个部分进行分析：
1.
发送端的预加重
/
去加重分析：
针对某一信道计算出最佳的预加重
/
去加重
参数。
2.
信道仿真：直接测试
< br>TX
输出的波形，输入信道的
S
参数模型后，准确
计算出
RX
端的波形
。
3.
接收端的
均衡器设计：对于高于
5Gbps
的信号，通常在
RX
端测试时，
眼图已闭合，眼图医生可以仿真均衡
器，计算出均衡后的信号波形与眼图。
图一：高速串行链路示意图
什么是信道？
在通信理论中通常用“信道”来描述连接
TX
与
RX
的物理媒质，
在某些
SI
（信
号完整
性）文献中，又称为互连。信道包括了我们常见的：印刷电路板（
PCB
）
上的微带线、带状线、过孔、连接器、集成电路的封装、光纤、电缆等等。如
下
图二所示为背板的示意图。通常，信道有一个共同的特点：随着频率的升高，损
耗越来越大；信道的物理传输距离越长，损耗越大。
图二：背板的互连示意图
接下来为某
背板的测试案例。其
TX
为某
2.5G
bps
的高速芯片，信道由两块线卡
与背板组成，其
PCB
上传输线的有
10
英寸长、
20
英寸长、
30
英寸长、
40
英寸
长四组
，在接收端测量眼图（如图三所示），使用游标测量眼高（眼图的张开程
度），分别为<
/p>
592mV
、
457mV
、
295mV
、
164mV<
/p>
。可见，随着
PCB
上传输线的
长度的增加，信道的损耗越来越大，
RX
端测量
到的眼图的眼高越来越小。
图三：不同背板走线长度的接收端眼图测试结果对比
什么是信道仿真？
信道仿真是用力科示波器测量
TX<
/p>
发送的波形，然后在眼图医生中导入信道的
S
参数模型文件，计算出通过信道后
RX
端的信号波形、眼图
与抖动。力科信道仿
真的处理速度非常快、精度足够高。
下图中
TX
为某
3
.125Gbps
信号，通过同轴电缆连接到示波器的两个通道，即示
< br>波器直接在
TX
端测量，然后使用某
20GHz
带宽的矢量网络分析仪（
Vector
Network Analyzer
，简称
VNA
）测量两块走线长度不一样的
DEMO
板的
S
参数，
在力科的眼图
医生中调用
S
参数来仿真该信道。
计算
出
RX
端的波形与眼图，
眼
图如下图四所示，
左边是某厂商的
20
英寸长
DEMO
板接收端的眼图，
右边为另
一厂商的
24
英寸线
长
DEMO
板计算出的
RX
的眼图。
两者的眼高分别为
168mV
与
108mV
。
使用信道仿真，无须连接
TX
、信道、
RX
后在
RX
端实测
，只要拥有信道的
S
参数模型，示波器直接在
< br>TX
端测量，就可以仿真出通过不同信道后
RX
端的波
形、眼图与抖动。这样，就可以快速验证某高速
< br>SERDES
芯片驱动不同长度传
输线时接收端的性能，
在高速背板的预研与设计中非常有用。
图四：
某
3.125Gbps
信号的接收端眼图测试结果对比
怎样得到信道的
S
参数文件？
在信道仿真中，
< br>信道的
S
参数模型的精确性决定了
RX
端计算结果的精确性，
所
以获得
足够精确的信道的
S
参数模型非常重要。在信号完整性（简称<
/p>
SI
）领域，
通常有两种方法获取信道的
S
参数模型。
1.
使用
VNA<
/p>
或者
TDR
直接测量信道的
S
参数；
2.
使用
HFSS
、
SIwave
、
Sigrity
等<
/p>
EDA
建模软件提取信道的
S
参数；
前者基于实际信道的测量，精度高，不过
信道上的端口必需留有
SMA
射频头，
VNA
或
TDR
通过
< br>SMA
接头的同轴电缆连接到待测试信道；后者通常基于连接
器的三维结构、
PCB
的压板结构（
stackup
）、介质特性、传输线的几何特性，
使用计算
电磁学的一些算法提取出信道的
S
参数模型。
< br>
图五：夹具去嵌前后眼图对比
力科的
信道仿真可以调入扩展名为
*.sNp
（
N
为端口数）
的
S
< br>参数文件，
通常
*.sNp
文件
称为
touchstone
文件，测试仪器和
< br>EDA
软件都可以输出这个格式的
S
参数
文件。关于
S
参数的相关理论
，可参考一些射频理论书籍。
什么是夹具去嵌？
在测量当前流行的很多串行信号（比如
PCIe
、
SATA
、
SAS
、
FBDIMM
）时
，通
常需要专门的测试夹具，
夹具上把
PCB
的传输线转换为
SMA
射频连接
头，
待测
试信号连接到夹具上，
夹具通
过同轴电缆连接到示波器，
如下图五所示，
示波器
作为接收端进行测量。由于夹具上的连接器、金手指、过孔、微带线、带状线等
会使信号发生衰减、
色散或者反射，
导致示波器测量到的信号
有所恶化。
使用夹
具去嵌功能，
只需输
入夹具的
S
参数模型文件，
即可计算出
没有夹具时测量到的
信号的波形与眼图。
如图五所示，
上半部分是信号去嵌前测量到的眼图，
下半部
分
是信号去嵌后测量到的眼图，
相比前者，
后者的上升下降沿更陡
峭，
眼轮廓清
晰，
眼张得更开。
从这个比较图中可以看到力科的去嵌技术可以消除夹具的负面
作用。<
/p>
信道仿真的常见问题
问题
1
：力
科的信道仿真与
EDA
软件仿真有什么区别？
< br>
和力科的眼图医生一样，
EDA
软件同样可以做信道仿真、
均衡器仿真。
两种
最主要的区别在于：
1.
力科的信道仿真和均衡器仿真速度非常快，在几秒钟内就可以计算出几
百微秒长的波形，几乎可以做到实时测量，实时计算出结果；而
EDA
< br>软件
的计算速度较慢，计算几百纳秒长的波形通常需要几十分钟。两种方法的速<
/p>
度有天壤之别。
2.
力科的信道仿真基于实测，
电路板上很多随机因素都考虑进去了
，
而
EDA
软件仿真通常基于理想的工
作状况，忽略了一些随机因素。
问题
2
：信道仿真的精度？
信道仿真的精度取决于信道的
S
参数模型是否足够精确。在下图为某
IC
厂
商验证其
SAS2
芯片驱动背板的测试结果。其中
一个波形是用力科示波器在
TX
端测试，用信道仿真计算出的<
/p>
RX
端的波形，另一个波形是示波器直接在
RX
端
测量到的波形，
可见两者非常
接近。
信道的
S
参数由某
20G
带宽
VNA
测量得到
。
图六：某
SAS
信号在
RX
实测与
TX
测试后用信道仿真计算
RX
端信号波形的
对比
什么是预加重
/
去加重（
Pre-emphasis/De-
emphasis
）？
在图三中我们看到，对于
2.5Gb
ps
信号，通过
10
、
20
、
30
、
40
英寸线长的背板
后，接收端的眼图随着长度增加会
逐渐闭合。原因在于信道是一个低通滤波器，
随着传输线长度的增加，损耗和色散会越来
越大，另外，随着频率的增加，损耗
与色散效应也越来越明显。
而当前的数字电路速度不断提高，
通常，
在速率高于
1GHz
的数字电路中，为了把信号能传输更远的距离，通常在发送端使用
预加重
或去加重的均衡技术。
在下图七中左半部分是预加重。
预加
重保持信号的低频部分不变，
提升信号的高
频部分；而去加重衰
减信号的低频部分，保持高频部分。预加重
/
去加重的目的
都是提升信号中高频部分的能量，以补偿信道对高频部分衰减过大。
图七：预加重
VS
去加重
如果在
TX
端测量经过预加重
/
去加重的信号的眼图，可以看到如下图八的上半
部分所示的“双眼皮”的眼图，
而下图八的下半部分是做
3.
5dB
的去加重之前信
号的眼图。还有，使用去加重后，
TX
端信号的抖动会大于未采用加重的信号，
在下面的眼图中可以清楚的看到去
加重后眼图
图八：去加重前后的眼图对比
的交叉点比去加重之前的更宽，说明在去加重后测量
TX
的抖动会更大些。
在当前流行的很多串行数据，比如
PCIe
、
FBDIMM
都使用了去加重技术。
高速芯片通常提供了几种预
加重
/
去加重程度和信号幅度可调节，
以第二代的
PCI
Express
为
例，其比特率为
5Gbps
，有
3.5
dB
和
6.5dB
两者去加重模式。<
/p>
在接下来的案例中，
TX
为某
3.125Gbps
信号源，信道为
Lattice
的带有
24
英寸
传输线的演示板，
RX
为示波
器的两个通道，即两个标准
50
欧的负载。图九中
左边的眼图为
TX
端没有预加重时
< br>RX
端测量到的眼图，右边的眼图为
TX
采用
3.5dB
预加重后
RX
端测量到的眼图，前者眼高为
93mV
，后者眼高为
135mV
。