[FPGA 实现及PCIe IP 核知识点]TxEQ小实验

作者: Felix

本文旨在用通俗的语言和直观的实验来讲解高速信号中常见的发送端的均衡器的作用。

目前很多串行协议规范都定义了发送端均衡器,用于解决主要由介质损耗引起的码间串扰(ISI)问题。电信号一般需要通过金属介质(线缆或者PCB走线)来传递,而不同频率的信号在同一种介质上传输时,其产生的损耗会有差别。一般来说,高频信号损耗的往往比低频信号要大。从信号波形上来看,在介质上传输引起的损耗会导致信号的电压降低(功率衰减)。考虑到数字电路中传输的是方波(或接近方波的信号),而方波从频域上来看是多个频率的正弦波的叠加。标准的方波可以通过傅里叶变换得到基波和多个高次谐波:

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比如,5GHz的方波信号是由5GHz的基波,15GHz的三次谐波,25GHz的五次谐波……所组成的。高次谐波对信号的贡献主要体现在信号的上升沿的陡峭程度上,缺少高次谐波,信号上升沿会变得平缓。

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虽然很多协议通过特定的编码器,将发送端发送的码流中连续的0(或者1)限定在一定的范围以内;或者通过扰码器将码流中出现连续很多0(或者1)的概率降低,但是码流中仍然会有一定概率出现多个连续的0(或者1)。

实际发送的数字信号中连续变化的部分高频分量较多,而连续不变的部分高频分量较少。经过介质损耗的作用后,连续的不变的信号在接收端体现为电压值逐渐增加的现象。高速串行协议中常见的AC耦合在一定程度上还会加重这样的现象。如下图所示,当连续发送了多个1之后,电压值逐渐增加。当接下来发送0时,接收端所收到的信号仍然处于一个较高的电压(高于判断为0的阈值),进而产生误码。

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发送端均衡器一般基于2个或者3个tap的FIR(也有很多文档称之为FFE),对发送前的信号进行调制。调制一般有两种手段:增加高频分量的能量,或者降低低频分量的能量;后者在电路设计上更容易实现,也是目前采用最多的方案。

以3个tap的FIR为例,可以通过调整Pre-Cursor和Post-Cursor的值来实现调制的目标。关于相关的理论知识可以参考之前的公众号文章。

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我们可以通过眼图来分析作用于发送端均衡器的实际效果,由于篇幅原因,这里就不具体介绍眼图的相关背景知识和测量手段了。下图是直接在发送端测量的信号(5Gbps,2.5GHz),可以看到信号质量非常好,眼图的眼睛睁开的也非常大。此时并不需要发送端均衡器,信号也可以正确地被接收端接收。

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如果我们通过发送端均衡器,对信号的低频部分衰减7.6dB(即7.6dB De-emphasis),可以得到如下的波形和眼图。

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对于没有使用发送端均衡器调制的信号,经过40 inch(100cm)的PCB走线后,在接收端测量得到的波形如下。可以看到眼图已经完全闭合了,接收端自然也就无法正确的接收信号了。

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如果在发送端施加7.6dB De-emphasis,再次在接收端测量信号,得到如下波形。可以看到眼睛明显睁开了,但是信号的峰峰值已经变得很小了。因此,很多协议还要求在接收端对收到的信号进行放大(添加增益)。

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可能很多人会有疑问,为什么会在发送施加7.6dB De-emphasis,眼图就会重新睁开?这个7.6dB从何而来?我们使用网络分析仪对着40 inch的PCB走线进行介质损耗分析,可以得到如下图所示的结果。

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可以看到2.5GHz (5Gbps)的信号在40 inch的PCB走线上衰减了8.1dB左右。这接近于我们在发送端设置的7.6dB De-emphasis,因为7.6dB De-emphasis的作用,使得在接收端呈现的信号的高频部分和低频部分衰减值相似,最终使得眼图睁开。需要注意的是,测试用的示波器连接线和芯片封装等带来的介质损耗并未被考虑进去。

严格来说,设计PCB的时候需要进行SI仿真,导入各个关键部分的参数(比如芯片封装,传输线等),进而计算出从发送端到接收端的介质损耗。但是实际情况是,很多PCB Layout工程从不进行SI仿真,因为这些关键部分的参数很难获取。在工程实践中,我们往往根据PCB的板材材料和走线长度粗略估算从发送端到接收端的介质损耗。

下图来自OCP 2020,列出了市面上常用的几种PCB板材类型的介质损耗平均值。考虑到我们测试过程中使用的是Ultra Low-Loss类型的PCB板材,走线是Stripline,表中的0.35dB/inch ±8%的介质损耗(@4GHz)和我们网络分析仪实测的结果(0.30dB/inch)接近。

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最后给出一些关于发送端均衡器设置的建议:

  1. 先根据PCB生产商提供的介质损耗数据和PCB走线长度,初步估算从发送端到接收端的介质损耗。如果实在无法获得介质损耗数据,可以参考上面来自OCP 2020的数据;
  2. 将发送端均衡器设置为与估算出的介质损耗相近的值的De-emphasis;
  3. 借助接收端器件中集成的眼图分析功能(如果没有该功能,可以通过发送PRBS来计算误码率,进而分析信道信号质量),细调De-emphasis的值;
  4. 如果发送端均衡器是基于多拍FIR(FFE)的话,还可以进一步在细调Pre-Cursor的值,已获得更好的眼图(更高的信号质量)。

尽管这种方式有很大的局限性,且估算的值和实际值可能存在较大的差别,但在条件有限的情况下其仍是一种相对便捷的调试手段。

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