本文要點
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即使進行了(le)完美(měi)的(de)阻抗匹配，所有傳輸線也(yě)都會存在某些信号完整性問題。 |
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由于損耗、色散和(hé)寄生組件而經常出現的(de)一個(gè)問題是符号間幹擾。 |
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這(zhè)種信号完整性問題會導緻比特流中的(de)錯誤，但謹慎的(de)通(tōng)道設計和(hé)驅動器 / 接收器選擇可(kě)以有效減少錯誤。 |
可(kě)能影(yǐng)響 PCB 信号完整性的(de)問題列表很長(cháng)，但在高(gāo)速通(tōng)道中特别應該診斷的(de)一種問題是：符号間幹擾。這(zhè)種特定的(de)信号完整性問題涉及比特流中信号之間的(de)幹擾，就像其名稱所示。那麽，是什(shén)麽導緻了(le)這(zhè)種信号完整性問題？如何減少符号間幹擾？
這(zhè)個(gè)問題通(tōng)常在電信環境中討(tǎo)論，但是在 PCB 中也(yě)會出現類似的(de)效應。雖然我們永遠(yuǎn)無法完全從 PCB 中消除信号完整性問題 (包括符号間幹擾) ，但可(kě)能可(kě)以将符号間幹擾減少到在典型測量中不會被注意到的(de)程度。本文将討(tǎo)論如何在高(gāo)速通(tōng)道中減少符号間幹擾。
什(shén)麽導緻符号間幹擾？
符号間幹擾是與數位比特流或用(yòng)于信号标準 (如 PAM-4) 的(de)脈沖流有關的(de)問題。所有有限帶寬信道都将顯示符号間幹擾，而每個(gè)電氣通(tōng)道都是到某個(gè)高(gāo)頻(pín)率的(de)有限帶寬。
此信号分(fēn)析儀測量結果顯示了(le)極端的(de)符号間幹擾
當數字信号流被接收器讀取時(shí)，其中一個(gè)信号會幹擾後續的(de)信号，這(zhè)種現象被稱爲符号間幹擾。在電信系統中，特别是在無線系統中，符号間幹擾通(tōng)常是由于信号的(de)副本以不同的(de)時(shí)間到達接收器所造成的(de)多(duō)徑效應引起的(de)。就算(suàn)是對(duì)于具有互連和(hé)數位位元流的(de)松散布線 PCB 而言，也(yě)可(kě)能存在符号間幹擾問題。
在數位信道中，位元串流可(kě)能會出現一些問題，導緻 intersymbol interference，包括：
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輕微阻抗不匹配引起的(de)反射 |
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相位失真引起的(de)拉伸脈沖 (由基闆中的(de)色散引起) |
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接收器輸入處看到的(de)慢(màn)脈沖響應 (由負載電容引起) |
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極端的(de)抖動，平均抖動時(shí)間與信号的(de) UI 相當 (這(zhè)種情況很少見) |
符号間幹擾可(kě)能聽(tīng)起來(lái)有點玄乎，但在時(shí)域波形中很容易被發現。盡管它是由頻(pín)域問題 (有限帶寬) 引起的(de)，但在時(shí)域中可(kě)以很容易地看到它。
診斷符号間幹擾
符号間幹擾可(kě)以在眼圖中看到，如下(xià)圖所示。隻要在 PCB 上放置測試夾具，大(dà)多(duō)數高(gāo)帶寬示波器或數字信号分(fēn)析儀都可(kě)以用(yòng)來(lái)收集此測量數據。
眼圖顯示符号間幹擾
一個(gè)完美(měi)的(de)眼圖會有完全重叠的(de)信号，沒有任何抖動 (水(shuǐ)平上升時(shí)間變化(huà)) 或噪聲 (信号電平變化(huà)) 。在上面的(de)圖像中，當我們看到波浪狀的(de)信号行爲重叠在高(gāo)電平和(hé)低電平之間時(shí)，就會出現符号間幹擾。抖動表現爲信号上升時(shí)間的(de)水(shuǐ)平變化(huà)。
在 PCB 闆層級上如何減少符号間幹擾
在上述清單中的(de)四個(gè)要點中，隻有前三個(gè)非常常見。關于第四點有關抖動的(de)問題，由于功率穩定性的(de)微小變化(huà)，總會存在一些抖動。然而，類似 UI 一樣巨大(dà)的(de)抖動并不常見，除了(le)很可(kě)能是高(gāo) PDN 阻抗之外的(de)多(duō)個(gè)問題也(yě)導緻了(le)非常大(dà)的(de)抖動。
如果要減少符号間幹擾，需要著(zhe)重于三個(gè)方面：阻抗不匹配、色散 和(hé) 緩慢(màn)的(de)脈沖響應。以下(xià)表格概述了(le)一些方法：
| 問題區(qū)域 | 電路闆因素 | 解決方案 |
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阻抗不匹配 |
• 色散 • 負載電容 • 其他(tā)改變走線阻抗的(de)寄生效應 |
理(lǐ)解高(gāo)速通(tōng)道都是有頻(pín)帶限制的(de)： |
延伸脈沖 |
• PCB 基闆色散 • 由于互連的(de)幾何形狀造成的(de)幾何色散 |
• 根據 Heaviside 準則進行設計 (通(tōng)常隻适用(yòng)于 RF) • 使用(yòng)具有比較平坦的(de) Dk 與頻(pín)率曲線的(de)基闆 • 将延遲時(shí)間編入比特流 |
脈沖響應緩慢(màn) |
• 負載電容 • 其他(tā)寄生電容 |
• 使用(yòng)負載電容較小的(de)器件 • 增加其他(tā)分(fēn)流組件 (例如覆銅) 的(de)間距 • 将延遲時(shí)間編入位元流 |
選擇更少色散的(de) PCB 層壓闆和(hé)具有更小負載電容的(de)組件等解決方案隻能解決部分(fēn)問題。對(duì)于高(gāo)數據速率信道，最好的(de)解決方案是确保極其精确的(de)阻抗匹配并添加延遲時(shí)間。編程延遲到位元流中的(de)解決方案将降低總數據速率，但也(yě)會降低誤碼率。對(duì)于阻抗不匹配，隻需記住：我們隻需要關注一定範圍内匹配阻抗 (通(tōng)常是幾個(gè) GHz) 即可(kě)。
還(hái)有兩種方式可(kě)以強制接收器完全忽略由符号間幹擾引起的(de)信号電平的(de)幹擾 UI 變化(huà)，即遵循 Nyquist ISI 标準并使用(yòng)均衡技術。
Nyquist ISI 标準
有一種特定的(de)取樣率可(kě)以在接收器組件中使用(yòng)，以便恢複的(de)信号完全不受符号間幹擾的(de)影(yǐng)響。當接收器讀出具有以下(xià)特性的(de)數字脈沖流時(shí)，就可(kě)以滿足 Nyquist ISI 準則：
Nyquist ISI 标準
在這(zhè)裏，Tb 是數據流的(de)位元率。這(zhè)個(gè)方程式表明(míng)，當接收機恰好以比特率進行采樣時(shí)，隻要比特波形在任何其他(tā)采樣時(shí)間都爲 0，它始終會準确鎖定到所發送的(de)位的(de)真實值。通(tōng)過精确地塑造所傳輸的(de)波形，可(kě)以實現這(zhè)種性質，需要使用(yòng)脈沖整形濾波器。
均衡
采用(yòng)均衡化(huà)方案，如分(fēn)布反饋均衡化(huà)，旨在通(tōng)過估算(suàn)算(suàn)法恢複信号質量。這(zhè)将理(lǐ)想地消除可(kě)能疊加在接收信号上的(de)符号間幹擾或其他(tā)噪聲。但是，均衡化(huà)不是隻需“添加”到組件中即可(kě)。它是使用(yòng)特定電路實現的(de)，該電路内置于組件中。新一代 DDR 和(hé) PCIe 正是在接收端使用(yòng)均衡化(huà)，我們可(kě)以期待在未來(lái)其他(tā)信令标準的(de)下(xià)一代中更加标準化(huà)。
高(gāo)速互連設計可(kě)能會很困難，需要平衡許多(duō)目标，尤其是學習(xí)如何減少符号間幹擾。Cadence 的(de) PCB 設計和(hé)分(fēn)析軟件可(kě)以幫助我們使用(yòng)業界最佳的(de) CAD 工具和(hé)強大(dà)的(de)信号完整性分(fēn)析工具設計和(hé)布局互連，實現自動化(huà)系統分(fēn)析中的(de)許多(duō)重要任務。
譯文授權轉載出處 (Graser 協同校閱)
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