互聯(lián)網(wǎng)上視頻和云應用的不斷增加，正促使數據中心和云存儲朝著(zhù)400G以太網(wǎng)絡(luò )發(fā)展，以滿(mǎn)足帶寬需求。隨著(zhù)數據使用量的增加，維護通信和數據中心設備中千兆以太網(wǎng)傳輸線(xiàn)上高速網(wǎng)絡(luò )信號完整性的挑戰也隨之增加。

 

當信號通過(guò)PCB、連接器和電纜時(shí)，其數據傳輸速率可能會(huì )嚴重降低。這種信號失真將導致系統無(wú)法通過(guò)以太網(wǎng)標準符合性測試，并造成與其他網(wǎng)絡(luò )設備的互操作性變差。設計者通常需要使用信號調節器，如轉接驅動(dòng)器或重定時(shí)器來(lái)保持信號質(zhì)量和系統性能。

 

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(xiàn)上的無(wú)源元件和連接器。信號在時(shí)域和頻域都會(huì )失真。

 

信號衰減最常見(jiàn)的原因是插入損耗，即數據路徑中任何設備或介質(zhì)的信號功率損失。圖1顯示了來(lái)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(cháng)的布線(xiàn)或電纜長(cháng)度也是如此。

時(shí)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(gè)發(fā)射的脈沖都與其相鄰的脈沖相互干擾。這會(huì )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(cháng)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(cháng)度成正比。來(lái)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(huì )導致隨機抖動(dòng)，影響占空比，并在信號上引起相位和定時(shí)誤差。

 

信號調節解決方案

 

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為0 dB。然而，實(shí)際上，任何傳輸介質(zhì)都會(huì )增加信號的插入損耗。

 

如果信號丟失影響系統性能，信號調節器通過(guò)恢復信號強度和實(shí)現均衡頻率響應，有效地幫助保持高速設計的信號完整性。

 

有兩種類(lèi)型的信號調節器：以太網(wǎng)轉接驅動(dòng)器（轉接驅動(dòng)器）和重定時(shí)器（Retimer）。你選擇哪一個(gè)取決于衰退的嚴重程度。

 

轉接驅動(dòng)器

 

如圖3所示，轉接驅動(dòng)器是一個(gè)模擬組件，用于通過(guò)均衡和增益調整恢復衰減的輸入信號，然后根據信號標準規范重新傳輸信號。轉接驅動(dòng)器主要通過(guò)均衡來(lái)進(jìn)行信號調節。它們是最簡(jiǎn)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(shí)也可以克服長(cháng)PCB布線(xiàn)和線(xiàn)纜帶來(lái)的插入損耗。

 

圖3 轉接驅動(dòng)器可以補償高達20db的信道損耗。來(lái)源：德州儀器

 

仔細觀(guān)察轉接驅動(dòng)器內部，連續時(shí)間線(xiàn)性均衡器（CTLE）是一種通常在轉接驅動(dòng)器接收端實(shí)現的電路。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。

 

轉接驅動(dòng)器的發(fā)射機可以選擇包括去加重（de-emphasis）或預加重（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，而預加重則提高信號的高頻分量，以實(shí)現均衡的信道響應。圖4顯示了轉接驅動(dòng)器均衡器對失真輸入信號的影響。

 

圖4：此圖顯示轉接驅動(dòng)器如何幫助打開(kāi)輸入眼圖。來(lái)源：德州儀器

 

如果輸出信號幅度是線(xiàn)性函數或與輸入信號幅度成正比，則轉接驅動(dòng)器可以是線(xiàn)性轉接驅動(dòng)器。否則，這是一個(gè)限制性的轉接驅動(dòng)器。線(xiàn)性轉接驅動(dòng)器將忠實(shí)地通過(guò)信號的所有電特性，如預發(fā)射、去加重或預加重，通過(guò)CTLE增加的頻率相關(guān)增益成為可能。

 

當系統需要使用鏈路訓練來(lái)為每個(gè)信道建立最佳信號調節設置時(shí)，線(xiàn)性轉接驅動(dòng)器尤其有用。線(xiàn)性轉接驅動(dòng)器將通過(guò)鏈路訓練，而不會(huì )阻塞信號波形或發(fā)射機故意造成的失真。

 

重定時(shí)器

 

如圖5所示，重定時(shí)器是比轉接驅動(dòng)器更復雜的信號調節器，通常包括均衡功能和時(shí)鐘數據恢復（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(dòng)、串擾和反射。

 

圖5重定時(shí)器可補償高達35dB的信道損耗。來(lái)源：德州儀器

 

重定時(shí)器內的時(shí)鐘數據恢復組件將恢復數據并提取干凈的時(shí)鐘。CDR可以補償相位延遲變化和隨機抖動(dòng)，并消除來(lái)自輸入信道的額外確定性抖動(dòng)，以提供最佳的輸出信號質(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(lái)源：德州儀器

 

轉接驅動(dòng)器通常用于補償20dB的信道損耗。如果由于定時(shí)和相位抖動(dòng)而出現更嚴重的信號衰退或信道損耗，則重定時(shí)器更合適，因為它可以通過(guò)去除抖動(dòng)來(lái)補償30dB到35dB的信道損耗。

 

在某些情況下，設計師可能會(huì )考慮使用更昂貴的PCB材料來(lái)改善信號質(zhì)量，作為使用信號調節器的替代方案。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(xiàn)很長(cháng)，您仍然需要轉接驅動(dòng)器或重定時(shí)器來(lái)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(dòng)，因此在此類(lèi)系統中增加一個(gè)轉接驅動(dòng)器或重定時(shí)器將有助于消除抖動(dòng)。

 

轉接驅動(dòng)器和重定時(shí)器應用

 

轉接驅動(dòng)器和重定時(shí)器通常用于千兆以太網(wǎng)中的數據中心交換機、網(wǎng)絡(luò )接口卡（NIC）、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備以及數據和存儲服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )。它們可以放置在交換機專(zhuān)用集成電路（ASIC）和前端口之間，或者沿著(zhù)中間板和背板之間的路徑放置，以實(shí)現更好的信號完整性和系統性能。
（來(lái)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(yíng)銷(xiāo)工程師）