FPGA高速收發(fā)器如何解決信號(hào)完整性問題

隨著數(shù)據(jù)帶寬需求的持續(xù)增長，數(shù)據(jù)傳輸從并行變成串行，收發(fā)器的速率越來越高，無論在單板內(nèi)或者通過光纖和背板傳輸，都會(huì)帶來一系列信號(hào)完整性問題。

如何解決這些問題，保證誤碼率滿足協(xié)議要求，是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的工作，主要涉及到從芯片選型、電路設(shè)計(jì)，到PCB的Layout的全過程。

所以各位老鐵們，今天我就給大家介紹FPGA高速收發(fā)器中使用什么技術(shù)可以幫助我們解決信號(hào)完整性問題。

01、高速Serdes信號(hào)完整性影響因素

信號(hào)在PCB上傳輸，會(huì)遇到兩個(gè)問題：插入損耗和反射。這兩個(gè)因素主要影響了高速Serdes在傳輸過程中的信號(hào)完整性。

插入損耗

插入損耗是介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、導(dǎo)體表面粗糙度等原因引起來的。1板材引起的插入損耗

下圖中表示不同的介質(zhì)的插入損耗。我們看到通常用的FR4板材和高速板材M4、M6板材比較起來，插入損耗就比較大。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)10G、25G背板傳輸系統(tǒng)時(shí)候，就會(huì)選用M4、M6板材。當(dāng)然選用插入損耗小的材料價(jià)格也會(huì)比較貴。

傳輸距離引起的插入損耗

對(duì)于同一種板材來說，傳輸距離遠(yuǎn)近不同，插入損耗也不同，見下圖。因此我們?cè)诓季€時(shí)候要優(yōu)先考慮高速線的布線。

反射

反射是因?yàn)樽杩共黄ヅ浜蛃tub引起的。例如線寬不一樣，就會(huì)引起阻抗不匹配，信號(hào)傳輸中經(jīng)過的耦合電容、過孔等都是阻抗不匹配的位置。

Stub是傳輸路徑上短的開路的線。為何會(huì)產(chǎn)生stub線，我們舉個(gè)例子，假設(shè)是12層板，我們走線從第1層到第3層，需要打一個(gè)過孔。大部分設(shè)計(jì)中的過孔是一個(gè)通孔，加工時(shí)候鉆頭會(huì)從第1層打到第12層，信號(hào)從第1層走到第3層后會(huì)繼續(xù)沿著通孔走，從第3層到第12層就是一段stub，這就會(huì)引起信號(hào)反射，造成信號(hào)完整性問題。

02、信號(hào)完整性問題帶來的影響

這些問題對(duì)信號(hào)有什么影響呢？首先我們知道信號(hào)頻率越高，影響越大。從第一幅圖中可以看出，信號(hào)頻率越高，插入損耗就越大。

我們的發(fā)送數(shù)據(jù)包含很多頻率成分，從低頻到高頻，經(jīng)過線路的傳輸，高頻成分被衰減得更多，后果就是引入ISI（碼間干擾）的問題。

碼間干擾

下圖中解釋了什么是ISI，信號(hào)從發(fā)送端經(jīng)過線路傳輸?shù)浇邮斩撕?，因?yàn)閾p耗和反射的原因，不僅信號(hào)幅度變小了，而且因?yàn)楦哳l成分衰減得更大，信號(hào)從陡峭變得平滑。這樣造成的后果是前一個(gè)bit的波形延伸到了后一個(gè)bit位置。在發(fā)送側(cè)我們發(fā)送的bit是0-1-1-0，經(jīng)過傳輸后最后一個(gè)1的波形延伸到后面一個(gè)0的位置，會(huì)造成0的電壓變高，判決時(shí)候可能判決成1，這樣本來發(fā)送的0-1-1-0，在接收端判決成0-1-1-1。這就是碼間干擾。碼間干擾的主要原因就是高頻成分損耗大，低頻成分損耗小。

如何保證數(shù)據(jù)的傳輸可靠

如何克服這些問題保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸呢？我們?cè)诎l(fā)送端引入去加重技術(shù)和接收端引入均衡技術(shù)。1去加重技術(shù)

首先介紹去加重技術(shù)，下圖為高速收發(fā)器發(fā)送端的去加重電路。

電路很簡單，串行數(shù)據(jù)經(jīng)過寄存器延遲后乘以不同的系數(shù)，然后合并在一起發(fā)送出去。頻率響應(yīng)如下圖TX FIR Frequency Response所示，最后接收端的頻率響應(yīng)如如下圖Channel Response所示，從直流到奈奎斯特頻率是一個(gè)相對(duì)平坦的響應(yīng)。

我們從時(shí)域上看一下去加重對(duì)波形的影響，看上去波形更奇怪一些，所以去加重有些像無線通訊中的一個(gè)術(shù)語“預(yù)失真”。

pre emphasis 時(shí)域波形

post emphasis 時(shí)域波形

我們可以看到pre和post處理的位置不同。pre是在信號(hào)變化前處理，post是在信號(hào)變化后處理。

最后我們看一下經(jīng)過和不經(jīng)過去加重以后的眼圖，下圖左邊是沒有經(jīng)過去加重的接收眼圖，右邊是經(jīng)過去加重的接收眼圖。我們可以看到，右邊的圖盡管電壓變小了，但是波形變的陡峭了，就不會(huì)引起下一個(gè)bit判決錯(cuò)誤。因此通過在發(fā)送端使用去加重技術(shù)，可以抵消線路帶來的損耗。

在發(fā)送端使用去加重技術(shù)，在接收端我們還可以采用CTLE和DFE均衡技術(shù)。