針對(duì)碼間干擾以及如何消除碼間干擾的分析

隨著信號(hào)速率的提高，信號(hào)質(zhì)量會(huì)朝兩個(gè)方面惡化。一方面由于時(shí)鐘周期變短，固有抖動(dòng)所帶來的影響變得嚴(yán)重，舉例來說，對(duì)于1Gbps的信號(hào)，1個(gè)時(shí)鐘周期為1ns，峰值為50ps的隨機(jī)抖動(dòng)不會(huì)給系統(tǒng)帶來太大的影響；但是對(duì)于10Gbps的信號(hào)，1個(gè)時(shí)鐘周期為100ps，50ps的隨機(jī)抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響是致命的。另一方面，速率提升使得通道的損耗變大，碼間干擾會(huì)變得更加嚴(yán)重。這篇文章主要針對(duì)碼間干擾的產(chǎn)生以及如何消除碼間干擾進(jìn)行分析。

碼間干擾，又稱ISI（Inter symbolinterference），顧名思義是不同信號(hào)（碼元）之間的干擾，在說碼間干擾之前，我們先說一下編碼。

1編碼方式

作為一名工程師，我們分析和處理信號(hào)，并不僅僅關(guān)心信號(hào)本身，而是信號(hào)中所承載的信息。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，最終表現(xiàn)出來的是一連串的二進(jìn)制（0/1）數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和電平之間有一定的編碼關(guān)系，下面列舉幾種常見的編碼方式——NRZ、NRZI、MLT-3。

NRZ即Non-Return to Zero Code， 非歸零碼，是最簡(jiǎn)單常見的編碼方式，用0電位和1點(diǎn)位分別二進(jìn)制的“0”和“1”，編碼后速率不變，有很明顯的直流成份，NRZ編碼的最高頻率基波是波特率的1/2。許多協(xié)議都是用的NRZ碼，例如：PCIe、SATA、SAS和USB 3.0SS。

NRZI即Non-Return to Zero Inverted，非歸零反轉(zhuǎn)碼，編碼不改變信號(hào)速率。NRZI的特點(diǎn)是遇到數(shù)據(jù)“0”電平保持不變，遇到數(shù)據(jù)“1”電平翻轉(zhuǎn)，NRZI極性翻轉(zhuǎn)并不影響數(shù)據(jù)傳輸。和NRZ一樣，NRZI編碼的最高頻率基波也是波特率的1/2，USB 2.0 HS協(xié)議使用的是NRZI編碼。

MLT-3即Multi-Level Transmit -3，多電平傳輸碼，MLT-3碼跟NRZI碼有點(diǎn)類似，其特點(diǎn)都是逢“1”跳變，逢“0”保持不變，并且編碼后不改變信號(hào)速率。和NRZ/NRZI不同，MLT-3需要4 bit才完成一次完整周期跳變（NRZ和NRZI是2 bit），相對(duì)應(yīng)的最高頻率基波是波特率的1/4。百兆以太網(wǎng)（FE）使用的就是MLT-3編碼。

圖1 NRZ NRZI和MLT-3編碼

由于現(xiàn)在高速場(chǎng)景都是使用2電平編碼（PAM4尚未普及），NRZ和NRZI碼型在物理層上面的表現(xiàn)并沒有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，所以我們下面以NRZ碼為例。

如圖2所示的鏈路的插損［2］如圖3所示（相當(dāng)于20inch FR4背板的損耗），從TX發(fā)出的10Gbps理想信號(hào)經(jīng)過背板后在圖2中1/2/3所示位置的信號(hào)和眼圖如圖4、圖5和圖6所示，圖中左側(cè)兩個(gè)信號(hào)分別為理想信號(hào)和圖2中各個(gè)不同位置的信號(hào)對(duì)比，右側(cè)為圖2中各個(gè)位置的眼圖。

圖2 互連背板鏈路示意圖

圖3 背板插損

插損：介質(zhì)損耗或InsertionLoss，簡(jiǎn)稱IL，IL =-S21

可以看出，由于ISI的存在，接收端（圖6）的眼圖已經(jīng)完全模糊，無法從信號(hào)中判斷電平的’0’和’1’，如果不經(jīng)過處理的話，數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳送到接收端會(huì)出現(xiàn)大量的誤碼。

圖4 近端（位置1處）信號(hào)和眼圖

圖5 位置2處信號(hào)和眼圖

圖6 接收端（位置3處）信號(hào)和眼圖

在插損很大時(shí)，在低頻信號(hào)和高頻信號(hào)交界的地方，最容易產(chǎn)生ISI。如圖6中紅圈部位所示，在一串如’11111101’這樣的信號(hào)，先出現(xiàn)長(zhǎng)串的’1’，然后接著是’01’信號(hào)，在長(zhǎng)’1’信號(hào)向’01’信號(hào)切換的時(shí)候，由于放電時(shí)間不足，使得’0’電平嚴(yán)重偏離垂直參考點(diǎn)。所以ISI一般有兩個(gè)必備條件：1）插損很大；2）低頻信號(hào)和高頻信號(hào)切換。消除ISI也需要從這兩個(gè)方面來考慮。

減小插損一般來說有兩種辦法：一種是減小走線長(zhǎng)度，另一種是使用更好板材的PCB以及更好的連接器，然而減小走線長(zhǎng)度的話可能會(huì)影響布線，而使用更好的板材和連接器會(huì)大大增加系統(tǒng)的成本，所以這種方法本文中不再詳述。

28B/10B編碼

由于數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，當(dāng)反復(fù)發(fā)送”010101”之類的電平時(shí)是信號(hào)中能夠出現(xiàn)的最高基波頻率成分，恒定為波特率的一半，但是由于在實(shí)際信號(hào)中出現(xiàn)連續(xù)的’1’或者連續(xù)的’0’信號(hào)的個(gè)數(shù)是不確定的，出現(xiàn)連續(xù)’0’或者’1’的個(gè)數(shù)越多，對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響越大。圖7為兩種不同碼型信號(hào)經(jīng)過同一鏈路的仿真結(jié)果，上邊是PRBS7，下邊是PRBS9［3］，可以明顯看出PRBS9的TJ和ISI比PRBS7大。

限制信號(hào)中最長(zhǎng)的連續(xù)’0’和’1’的個(gè)數(shù)可以改善ISI，8B/10B編碼就是其中最常用的一種編碼方式，8B/10B編碼將8位數(shù)據(jù)分解成兩組，一組3位、一組5位，經(jīng)過編碼之后變成一組4位和一組6位的10位數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)中連續(xù)’0’和’1’的個(gè)數(shù)不超過5個(gè)，另外，經(jīng)過8B/10B編碼后的數(shù)據(jù)’0’和’1’數(shù)量基本保持相等，使得信號(hào)的DC平衡。USB3.0、PCIe1.0、PCIe2.0和SATA等協(xié)議都使用8B/10B編碼。類似的還有64B/66B、128B/130B編碼等，同時(shí)在使用NRZI的USB 2.0中，為了限制連續(xù)高或者連續(xù)低電平的長(zhǎng)度，規(guī)定在數(shù)據(jù)中連續(xù)出現(xiàn)6個(gè)’1’之后自動(dòng)插入1個(gè)’0’，這也是這個(gè)目的。但是8B/10B編碼會(huì)影響信號(hào)的有效帶寬，每10比特信號(hào)中只傳遞8比特有效信號(hào)，先當(dāng)于20%的帶寬是浪費(fèi)的。從PCIe2.0到PCIe3.0的演進(jìn)中，就放棄了8B/10B編碼，線速率從5Gbps到8Gbps但是實(shí)際的帶寬卻翻了一倍

圖7 PRBS7和PRBS9的ISI

PRBS：偽隨機(jī)碼，PRBS后面的數(shù)字越大，出現(xiàn)的連續(xù)的’0’和’1’信號(hào)的個(gè)數(shù)就越長(zhǎng)

3加重和均衡

均衡可以分為發(fā)送端均衡和接收端均衡，發(fā)送端均衡稱為加重或者FFE，接收端的均衡有CTLE和DFE兩種。

FFE：FFE是Feed forward equalizers的縮寫，它可以分為預(yù)加重（Pre-Emphasis）和去加重（De-Emphasis）的方法類似，都是通過在TX改變高、低頻成分（如圖8所示），區(qū)別是預(yù)加重是增加高頻成分，去加重是減少低頻成分，經(jīng)過TX端的均衡后能夠改善信號(hào)質(zhì)量，現(xiàn)在一般都使用去加重的方式，常用的有2種——Pre cursor和Post cursor，Pre和Post如圖9所示。一般情況下Post cursor使用較多，在鏈路較惡劣的時(shí)候加一些Pre cursor可以使眼圖的“眼皮”變薄。De-Emphasis的大小是由高頻部分和低頻部分的比值決定的，高頻部分電壓和低頻部分電壓的比值越大，對(duì)抗鏈路差損的能力也就越強(qiáng)。下圖的Pre cursor和Post cursor都是6dB，也就是高頻電壓是低頻的兩倍。FFE的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)放大信號(hào)的噪聲，另外，在惡劣的鏈路環(huán)境下，如果光依靠RX的均衡無法使得眼圖睜開，在這種情況下我們推薦使用FFE。

圖8 De-Emphasis上和Pre-Emphasis下

圖9 Post cursor和Pre cursor

圖10是鏈路中接收端經(jīng)過加重后的眼圖，經(jīng)過8dB的Post cursor去加重后，眼圖已經(jīng)睜開。

圖10 鏈路中接收端經(jīng)過加重后的眼圖

圖11是加上8dB 去加重后鏈路中各個(gè)位置的眼圖。從圖11可以看出，在鏈路中芯片發(fā)送端以及位置1/2處的眼圖都有嚴(yán)重的overshoot，這就是FFE的不足之處，由于在發(fā)送端增加了高頻成分，在多Lane系統(tǒng)中會(huì)增加串?dāng)_，并且可能會(huì)導(dǎo)致EMC超標(biāo)，在現(xiàn)在的高速系統(tǒng)中，會(huì)將較多的均衡的權(quán)重分配在接收端。

圖11 經(jīng)過加重后鏈路中各個(gè)位置的眼圖

CTLE：CTLE是Continuous-time linearequalizer的縮寫，它是有如圖12頻響曲線的放大電路，它們會(huì)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行衰減，以補(bǔ)償通道的插損。對(duì)待不同的鏈路，我們可以調(diào)節(jié)CTLE電路的參數(shù)（如增益、boost、零點(diǎn)、peak點(diǎn)等）獲得恰當(dāng)?shù)念l響曲線來進(jìn)行補(bǔ)償（如圖13所示）。通常來說，CTLE電路各參數(shù)相互配合組成的組合越多，芯片應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景鏈路的能力也就會(huì)越強(qiáng)，這種芯片通常還會(huì)集成CTLE的自適應(yīng)算法，根據(jù)鏈路自動(dòng)調(diào)節(jié)CTLE的參數(shù)以獲得最優(yōu)的參數(shù)。

圖12 CTLE頻響曲線示意圖

圖13 經(jīng)過CTLE補(bǔ)償?shù)逆溌奉l響

圖14是圖13中信號(hào)經(jīng)過CTLE均衡后得到的眼圖?？梢钥闯?，CTLE補(bǔ)償?shù)男Ч腿ゼ又叵啾纫靡恍?/p>

圖14 經(jīng)過CTLE均衡后的眼圖

但是在鏈路很長(zhǎng)（鏈路插損很大）時(shí)，CTLE為了補(bǔ)償鏈路的插損，通常會(huì)將高頻進(jìn)行放大，這樣一方面會(huì)將高頻噪聲放大，降低系統(tǒng)的信噪比；另一方面，CTLE的溫度特性相對(duì)較差，高溫下的增益比低溫小，所以在溫度變化時(shí)不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，在這個(gè)時(shí)候我們需要DFE的幫助。

DFE：DFE是Decisionfeedback equalizer的縮寫，電路中DFE一般在CTLE之后。DFE的實(shí)現(xiàn)方式和FFE類似。DFE可以輔助CTLE改善信號(hào)質(zhì)量，另外DFE可以實(shí)時(shí)地根據(jù)眼圖的情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，它可以用來補(bǔ)償由于溫度或者其他條件變化帶來的鏈路和芯片（如CTLE）的變化，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖15 經(jīng)過CTLE和DFE均衡后的眼圖

在實(shí)際的使用過程中，需要FFE、CTLE和DFE三者相互配合使用，尤其是在鏈路條件相對(duì)復(fù)雜的情況下。下面是一個(gè)比較惡劣的線路，在5GHz處，鏈路的插損達(dá)到了約33dB（相當(dāng)于40inch FR4 背板的損耗）。這個(gè)時(shí)候單純靠FFE或者CTLE、DFE已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)將眼圖張開，這時(shí)候需要使用FFE+CTLE+DFE相互配合，使得在接收端的采樣點(diǎn)處眼圖能夠完全張開，確保達(dá)到目標(biāo)誤碼率。

圖16 更惡劣的背板差損