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)信號完整性的挑戰(zhàn)也隨之增加。

 

當信號通過PCB、連接器和電纜時，其數(shù)據(jù)傳輸速率可能會嚴重降低。這種信號失真將導致系統(tǒng)無法通過以太網(wǎng)標準符合性測試，并造成與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互操作性變差。設(shè)計者通常需要使用信號調(diào)節(jié)器，如轉(zhuǎn)接驅(qū)動器或重定時器來保持信號質(zhì)量和系統(tǒng)性能。

 

信號衰減的根本原因

 

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

 

信號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。

時域中的損耗包括接收信號的幅度下降和脈沖擴展，從而導致符號間干擾（ISI），其中每個發(fā)射的脈沖都與其相鄰的脈沖相互干擾。這會導致接收器的眼圖閉合。圖2顯示了15米電纜上的信號衰減，其中信號失真與電纜長度成正比。

 

圖2：這些圖顯示了15米電纜上的信號衰減，其中信號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完整性：

連接器阻抗不匹配，導致信號反射。

相鄰的高速信號相互干擾，導致串擾。

 

熱噪聲或其他噪聲會導致隨機抖動，影響占空比，并在信號上引起相位和定時誤差。

 

信號調(diào)節(jié)解決方案

 

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

 

如果信號丟失影響系統(tǒng)性能，信號調(diào)節(jié)器通過恢復信號強度和實現(xiàn)均衡頻率響應(yīng)，有效地幫助保持高速設(shè)計的信號完整性。

 

有兩種類型的信號調(diào)節(jié)器：以太網(wǎng)轉(zhuǎn)接驅(qū)動器（轉(zhuǎn)接驅(qū)動器）和重定時器（Retimer）。你選擇哪一個取決于衰退的嚴重程度。

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動器

 

如圖3所示，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器是一個模擬組件，用于通過均衡和增益調(diào)整恢復衰減的輸入信號，然后根據(jù)信號標準規(guī)范重新傳輸信號。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器主要通過均衡來進行信號調(diào)節(jié)。它們是最簡單、最具成本效益的方法，可以抵抗由符號間干擾引起的信號衰減，同時也可以克服長PCB布線和線纜帶來的插入損耗。

 

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

 

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

 

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

 

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

 

如果輸出信號幅度是線性函數(shù)或與輸入信號幅度成正比，則轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以是線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器。否則，這是一個限制性的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器。線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器將忠實地通過信號的所有電特性，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。

 

當系統(tǒng)需要使用鏈路訓練來為每個信道建立最佳信號調(diào)節(jié)設(shè)置時，線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器尤其有用。線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動器將通過鏈路訓練，而不會阻塞信號波形或發(fā)射機故意造成的失真。

 

重定時器

 

如圖5所示，重定時器是比轉(zhuǎn)接驅(qū)動器更復雜的信號調(diào)節(jié)器，通常包括均衡功能和時鐘數(shù)據(jù)恢復（CDR）功能。這些特性不僅可以補償符號間的干擾，還可以消除隨機抖動、串擾和反射。

 

圖5重定時器可補償高達35dB的信道損耗。來源：德州儀器

 

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

 

圖6重定時器CDR消除了抖動，從而使眼圖更清晰。來源：德州儀器

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動器通常用于補償20dB的信道損耗。如果由于定時和相位抖動而出現(xiàn)更嚴重的信號衰退或信道損耗，則重定時器更合適，因為它可以通過去除抖動來補償30dB到35dB的信道損耗。

 

在某些情況下，設(shè)計師可能會考慮使用更昂貴的PCB材料來改善信號質(zhì)量，作為使用信號調(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)動器或重定時器來補償額外的損失。此外，PCB材料不能解決串擾、反射、連接器或電纜的其他隨機抖動，因此在此類系統(tǒng)中增加一個轉(zhuǎn)接驅(qū)動器或重定時器將有助于消除抖動。

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動器和重定時器應(yīng)用

 

轉(zhuǎn)接驅(qū)動器和重定時器通常用于千兆以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)中心交換機、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)和存儲服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)。它們可以放置在交換機專用集成電路（ASIC）和前端口之間，或者沿著中間板和背板之間的路徑放置，以實現(xiàn)更好的信號完整性和系統(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）