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使用重定時器和轉接驅動器保持以太網信號完整性

2020-08-31 來源:EEWORLD

本文作者:Lin Zhihong,是德州儀器(TI)接口業務的產品營銷工程師。


互聯網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400G以太網絡發展,以滿足帶寬需求。隨著數據使用量的增加,維護通信和數據中心設備中千兆以太網傳輸線上高速網絡信號完整性的挑戰也隨之增加。


當信號通過PCB、連接器和電纜時,其數據傳輸速率可能會嚴重降低。這種信號失真將導致系統無法通過以太網標準符合性測試,并造成與其他網絡設備的互操作性變差。設計者通常需要使用信號調節器,如轉接驅動器或重定時器來保持信號質量和系統性能。


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,即數據路徑中任何設備或介質的信號功率損失。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。


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圖1不同布線長度的PCB插入損耗示例。來源:德州儀器


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。


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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,在傳輸介質上,所有頻率分量的信號損耗應為0 dB。然而,實際上,任何傳輸介質都會增加信號的插入損耗。


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


有兩種類型的信號調節器:以太網轉接驅動器(轉接驅動器)和重定時器(Retimer)。你選擇哪一個取決于衰退的嚴重程度。


轉接驅動器


如圖3所示,轉接驅動器是一個模擬組件,用于通過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。轉接驅動器主要通過均衡來進行信號調節。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。


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圖3 轉接驅動器可以補償高達20db的信道損耗。來源:德州儀器


仔細觀察轉接驅動器內部,連續時間線性均衡器(CTLE)是一種通常在轉接驅動器接收端實現的電路。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。


轉接驅動器的發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,以實現均衡的信道響應。圖4顯示了轉接驅動器均衡器對失真輸入信號的影響。


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圖4:此圖顯示轉接驅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或與輸入信號幅度成正比,則轉接驅動器可以是線性轉接驅動器。否則,這是一個限制性的轉接驅動器。線性轉接驅動器將忠實地通過信號的所有電特性,如預發射、去加重或預加重,通過CTLE增加的頻率相關增益成為可能。


當系統需要使用鏈路訓練來為每個信道建立最佳信號調節設置時,線性轉接驅動器尤其有用。線性轉接驅動器將通過鏈路訓練,而不會阻塞信號波形或發射機故意造成的失真。


重定時器


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


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圖5重定時器可補償高達35dB的信道損耗。來源:德州儀器


重定時器內的時鐘數據恢復組件將恢復數據并提取干凈的時鐘。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量。圖6顯示了重定時器的CDR的效果。


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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


轉接驅動器通常用于補償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,設計師可能會考慮使用更昂貴的PCB材料來改善信號質量,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布線很長,您仍然需要轉接驅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,因此在此類系統中增加一個轉接驅動器或重定時器將有助于消除抖動。


轉接驅動器和重定時器應用


轉接驅動器和重定時器通常用于千兆以太網中的數據中心交換機、網絡接口卡(NIC)、有線和無線網絡設備以及數據和存儲服務器網絡。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,以實現更好的信號完整性和系統性能。

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