信号完整性两大法宝加重与均衡

　　参考文章：时钟展频技术能有效降低EMI，深入讲解展频发生器

  预加重 

　　　　　　　  预加重、去加重和均衡

　　　　　　　  什么是预加重与去加重技术

　　　随着信号速率的提高，信号质量会朝两个方面恶化。一方面由于时钟周期变短，固有抖动所带来的影响变得严重，举例来说，对于1Gbps的信号，1个时钟周期为1ns，峰值为50ps的随机抖动不会给系统带来太大的影响；但是对于10Gbps的信号，1个时钟周期为100ps，50ps的随机抖动对系统的影响是致命的。另一方面，速率提升使得通道的损耗变大，码间干扰会变得更加严重。这篇文章主要针对码间干扰的产生以及如何消除码间干扰进行分析。码间干扰，又称ISI(Inter symbolinterference)，顾名思义是不同信号(码元)之间的干扰。

均衡可以分为发送端均衡和接收端均衡，发送端均衡称为加重或者FFE，接收端的均衡有CTLE和DFE两种。

FFE：FFE是Feed forward equalizers的缩写，它可以分为预加重(Pre-Emphasis)和去加重(De-Emphasis)的方法类似，都是通过在TX改变高、低频成分，区别是预加重是增加高频成分，去加重是减少低频成分，经过TX端的均衡后能够改善信号质量。

 

CTLE：CTLE是Continuous-time linearequalizer的缩写，它是有如图12频响曲线的放大电路，它们会对高频信号进行放大，对低频信号进行衰减，以补偿通道的插损。

DFE：DFE是Decisionfeedback equalizer的缩写，电路中DFE一般在CTLE之后。DFE的实现方式和FFE类似。DFE可以辅助CTLE改善信号质量，另外DFE可以实时地根据眼图的情况进行自适应调节，它可以用来补偿由于温度或者其他条件变化带来的链路和芯片(如CTLE)的变化，增加系统的稳定性。图15经过CTLE和DFE均衡后的眼图在实际的使用过程中，需要FFE、CTLE和DFE三者相互配合使用，尤其是在链路条件相对复杂的情况下。下面是一个比较恶劣的线路，在5GHz处，链路的插损达到了约33dB(相当于40inch FR4背板的损耗)。这个时候单纯靠FFE或者CTLE、DFE已经无法实现将眼图张开，这时候需要使用FFE+CTLE+DFE相互配合，使得在接收端的采样点处眼图能够完全张开，确保达到目标误码率。

 

 

一、针对时钟的措施——展频

　　展频对象：EMMC、DDR、VB1、屏、

SSC：Spread Spectrum Clocking，展频时钟

 　　SSCG：Spread Spectrum Clock Generator，展频时钟发生器　　

 　　时钟展频通过频率调制的手段将集中在窄频带范围内的能量分散到设定的宽频带范围，通过降低时钟在基频和奇次谐波频率的幅度（能量），达到降低系统电磁辐射峰值的目的。

　　SSCG由于使用到展频等集成电路功能，会消耗能量。　　

　　时钟展频有三个主要的控制参数：调制速度（Modulation Rate）、调制深度（Modulation Depth）和调制方式（Modulation Profile）

二、针对信号的措施——预加重、去加重与均衡器

　　为什么要给高频信号整信号补偿技术：介质损耗、趋肤效应

　　均衡的作用就是在接收端口对信号处理，根据信号经过的基板的衰减特性，将信号的高频成分适当增强，这样就可以得到低频成分与高频成分被"均衡"到一个水平的信号，增强了发送到接收端口信号的传输速度与传输距离。相对于均衡，预加重作用在信号的发送端，其根据信号即将经过的衰减通道，提前增强信号的高频分量（这样RE就可能变差），经过这样的处理，信号经过信号通道之后，经过一个高频成分的衰减，最后接收端口接受到完整的信号。在信号发送端口，还可以通过―去加重的方法，将信号的低频成分衰减，由此应对信号通路中高频成分的衰减。相对于预加重的方法，去加重将信号的能量衰减，使信号的幅度降低，造成后级电路模块识别信号的困难。因此，在现实应用中，会更多的选择预加重的方法。

随着信号速率的增加，高速信号的趋肤效应和传输线的介质损耗，使信号在传输过程中受损很大，为了在接收终端能得到比较好的波形，就需要对受损的信号进行补偿，常用的补偿技术有：预加重、去加重和均衡。

在介绍这三种信号补偿技术之前，先来介绍下趋肤效应和介质损耗。
　　趋肤效应：交变电流(alternating electric current, AC)通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率 越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。
　　介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗叫介质损耗。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角叫做介质损耗角，该角的正切值称为介质损耗因素。

在高速信号传输中，信号的高频分量衰减要比低频分量的衰减大很多，传输线路表现出来的特性像一个低通滤波器。如下图所示。

 　　预加重 (Pre-emphasis)：

　　信号传输线表现出来的是低通滤波特性，传输过程中信号的高频成分衰减大，低频成分衰减少。预加重技术的思想就是在传输线的始端增强信号的高频成分，以补偿高频分量在传输过程中的过大衰减。我们知道，信号频率的高低主要是由信号电平变化的速度决定的，所以信号的高频分量主要出现在信号的上升沿和下降沿处，预加重技术就是增强信号上升沿和下降沿处的幅度。

　　去加重(De-emphasis)：

去加重技术的思想跟预加重技术有点类似，只是实现方法有点不同，预加重是增加信号上升沿和下降沿处的幅度，其它地方幅度不变；而去加重是保持信号上升沿和下降沿处的幅度不变，其他地方信号减弱。如下图所示。

 去加重补偿后的信号摆幅比预加重补偿后的信号摆幅小，眼图高度低，功耗小，EMC 辐射小。

　　均衡器：
　　 均衡器实际上是一个高通滤波器。

　　前面介绍的预加重和去加重能很好的补偿信号在传输过程中的损耗，改善信号质量，但是预加重和去加重技术也存在一些缺陷，比如当线路上存在串扰时，预加重和去加重会将高频串扰分量放大，增大串扰的危害。为了弥补预加重和去加重技术的缺陷，后来就出现了均衡技术。
跟预加重和去加重不同，均衡技术在信号的接收端使用，它的特性相当于一个高通滤波器，高频分量会损耗很大，正好可以滤除高频串扰。其原理如下：

  TV： 

    　　DDR/屏/LVDS/EMMC/VBO 展频开关

    　　DDR/屏/LVDS/EMMC/VBO 展频调制(0.1K?)，对应的是调制速度

   　　 DDR/屏/LVDS/EMMC/VBO 百分比(%)，对应的是调制深度

    　　VBO 眼图调节幅度

    　　VBO 信号预加重

 

什么是预加重与去加重技术