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互聯(lián)網(wǎng)上視頻和云應(yīng)用的不斷增加，正促使數(shù)據(jù)中心和云存儲(chǔ)朝著400G以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，以滿足帶寬需求。隨著數(shù)據(jù)使用量的增加，維護(hù)通信和數(shù)據(jù)中心設(shè)備中千兆以太網(wǎng)傳輸線上高速網(wǎng)絡(luò)信號(hào)完整性的挑戰(zhàn)也隨之增加。

 

當(dāng)信號(hào)通過PCB、連接器和電纜時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可能會(huì)嚴(yán)重降低。這種信號(hào)失真將導(dǎo)致系統(tǒng)無法通過以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)符合性測(cè)試，并造成與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互操作性變差。設(shè)計(jì)者通常需要使用信號(hào)調(diào)節(jié)器，如轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器或重定時(shí)器來保持信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)性能。

 

信號(hào)衰減的根本原因

 

信號(hào)衰減的方式因傳輸介質(zhì)而異，包括PCB、銅纜或光纜、信號(hào)線上的無源元件和連接器。信號(hào)在時(shí)域和頻域都會(huì)失真。

 

信號(hào)衰減最常見的原因是插入損耗，即數(shù)據(jù)路徑中任何設(shè)備或介質(zhì)的信號(hào)功率損失。圖1顯示了來自不同PCB軌跡的插入損耗示例。高頻分量比低頻分量損耗更大；更長的布線或電纜長度也是如此。

時(shí)域中的損耗包括接收信號(hào)的幅度下降和脈沖擴(kuò)展，從而導(dǎo)致符號(hào)間干擾（ISI），其中每個(gè)發(fā)射的脈沖都與其相鄰的脈沖相互干擾。這會(huì)導(dǎo)致接收器的眼圖閉合。圖2顯示了15米電纜上的信號(hào)衰減，其中信號(hào)失真與電纜長度成正比。

 

圖2：這些圖顯示了15米電纜上的信號(hào)衰減，其中信號(hào)失真與電纜長度成正比。來源：德州儀器

 

其他因素也可能損害信號(hào)完整性：

連接器阻抗不匹配，導(dǎo)致信號(hào)反射。

相鄰的高速信號(hào)相互干擾，導(dǎo)致串?dāng)_。

 

熱噪聲或其他噪聲會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)抖動(dòng)，影響占空比，并在信號(hào)上引起相位和定時(shí)誤差。

 

信號(hào)調(diào)節(jié)解決方案

 

那么，如何解決高速接口的信號(hào)完整性難題呢？理想情況下，在傳輸介質(zhì)上，所有頻率分量的信號(hào)損耗應(yīng)為0 dB。然而，實(shí)際上，任何傳輸介質(zhì)都會(huì)增加信號(hào)的插入損耗。

 

如果信號(hào)丟失影響系統(tǒng)性能，信號(hào)調(diào)節(jié)器通過恢復(fù)信號(hào)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)均衡頻率響應(yīng)，有效地幫助保持高速設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。

 

有兩種類型的信號(hào)調(diào)節(jié)器：以太網(wǎng)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器（轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器）和重定時(shí)器（Retimer）。你選擇哪一個(gè)取決于衰退的嚴(yán)重程度。

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器

 

如圖3所示，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)模擬組件，用于通過均衡和增益調(diào)整恢復(fù)衰減的輸入信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范重新傳輸信號(hào)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器主要通過均衡來進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。它們是最簡(jiǎn)單、最具成本效益的方法，可以抵抗由符號(hào)間干擾引起的信號(hào)衰減，同時(shí)也可以克服長PCB布線和線纜帶來的插入損耗。

 

圖3 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以補(bǔ)償高達(dá)20db的信道損耗。來源：德州儀器

 

仔細(xì)觀察轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，連續(xù)時(shí)間線性均衡器（CTLE）是一種通常在轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器接收端實(shí)現(xiàn)的電路。CTLE為高頻信號(hào)提供比低頻信號(hào)更多的增益，以補(bǔ)償高頻分量中的較大損耗。這使得均衡信號(hào)在信道上具有更均勻的頻率響應(yīng)。

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的發(fā)射機(jī)可以選擇包括去加重（de-emphasis）或預(yù)加重（pre-emphasis）功能，以提供信號(hào)失真以補(bǔ)償信道損耗。去加重減弱信號(hào)的低頻分量，而預(yù)加重則提高信號(hào)的高頻分量，以實(shí)現(xiàn)均衡的信道響應(yīng)。圖4顯示了轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器均衡器對(duì)失真輸入信號(hào)的影響。

 

圖4：此圖顯示轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器如何幫助打開輸入眼圖。來源：德州儀器

 

如果輸出信號(hào)幅度是線性函數(shù)或與輸入信號(hào)幅度成正比，則轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以是線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器。否則，這是一個(gè)限制性的轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器。線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器將忠實(shí)地通過信號(hào)的所有電特性，如預(yù)發(fā)射、去加重或預(yù)加重，通過CTLE增加的頻率相關(guān)增益成為可能。

 

當(dāng)系統(tǒng)需要使用鏈路訓(xùn)練來為每個(gè)信道建立最佳信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)置時(shí)，線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器尤其有用。線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器將通過鏈路訓(xùn)練，而不會(huì)阻塞信號(hào)波形或發(fā)射機(jī)故意造成的失真。

 

重定時(shí)器

 

如圖5所示，重定時(shí)器是比轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器更復(fù)雜的信號(hào)調(diào)節(jié)器，通常包括均衡功能和時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）功能。這些特性不僅可以補(bǔ)償符號(hào)間的干擾，還可以消除隨機(jī)抖動(dòng)、串?dāng)_和反射。

 

圖5重定時(shí)器可補(bǔ)償高達(dá)35dB的信道損耗。來源：德州儀器

 

重定時(shí)器內(nèi)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)組件將恢復(fù)數(shù)據(jù)并提取干凈的時(shí)鐘。CDR可以補(bǔ)償相位延遲變化和隨機(jī)抖動(dòng)，并消除來自輸入信道的額外確定性抖動(dòng)，以提供最佳的輸出信號(hào)質(zhì)量。圖6顯示了重定時(shí)器的CDR的效果。

 

圖6重定時(shí)器CDR消除了抖動(dòng)，從而使眼圖更清晰。來源：德州儀器

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器通常用于補(bǔ)償20dB的信道損耗。如果由于定時(shí)和相位抖動(dòng)而出現(xiàn)更嚴(yán)重的信號(hào)衰退或信道損耗，則重定時(shí)器更合適，因?yàn)樗梢酝ㄟ^去除抖動(dòng)來補(bǔ)償30dB到35dB的信道損耗。

 

在某些情況下，設(shè)計(jì)師可能會(huì)考慮使用更昂貴的PCB材料來改善信號(hào)質(zhì)量，作為使用信號(hào)調(diào)節(jié)器的替代方案。這些PCB材料通常非常昂貴，而且它們只能在一定程度上解決由插入損耗引起的碼間干擾。如果PCB布線很長，您仍然需要轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器或重定時(shí)器來補(bǔ)償額外的損失。此外，PCB材料不能解決串?dāng)_、反射、連接器或電纜的其他隨機(jī)抖動(dòng)，因此在此類系統(tǒng)中增加一個(gè)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器或重定時(shí)器將有助于消除抖動(dòng)。

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器應(yīng)用

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器通常用于千兆以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)中心交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）、有線和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)。它們可以放置在交換機(jī)專用集成電路（ASIC）和前端口之間，或者沿著中間板和背板之間的路徑放置，以實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)完整性和系統(tǒng)性能。
（來源：德州儀器，作者：Lin Zhihong，是德州儀器（TI）接口業(yè)務(wù)的產(chǎn)品營銷工程師）