7.1 信号调节：什么是信号调节器

[数字广告词] 大家好，欢迎观看 TI高精度实验室视频。 我是位于硅谷的TI 高速信号链组的 Nicholaus Malone。 在该系列中，我们将讨论信号调节器。 在本课程中，我将讨论您 为何需要信号调节器。 在其他课程中，我们将讨论 信号调节器的类型及其差异。 高速千兆位级产品随处可见。 您可以在电视、蓝光播放器、笔记本电脑、平板电脑、 媒体中心服务器和硬盘驱动器中看到它们。 甚至我们的汽车都有视频信息娱乐系统。 所有这些产品都包含千兆位级接口。 如今，我们很容易找到许多使用 千兆位级技术的电子产品，例如 USB 和 PCIE，它们用于更高数据速率传输， 以及 HDMI 和 DisplayPort，它们用于高分辨率视频。 高速传输系统包含一个发送器 和一个接收器。 Tx 和 Rx 之间的传输介质可以 采用引线、连接器和电缆的形式。 在传输介质上保持这些高速 信号的信号完整性非常重要，而且 非常具有挑战性。 当千兆位级信号通过传输 介质时，有许多因素会导致信号 完整性下降。 这些因素包括抖动，抖动是相对于 数字信号真实周期的任何 偏差。 该偏差可能是振幅、相位时序或 信号脉冲宽度方面的偏差。 引起抖动的原因包括 EMI 和与其他 信号的串扰。 插入损耗是信号路径中的 任何损耗引起的信号功率降低。 例如，跟踪器电缆越长，产生的 损耗就越大。 串扰是一种现象，其中在一个通道中 传输的信号会在另一个通道中产生不良影响。 串扰通常是由一个通道与另一个 通道的电容、电感或导电耦合引起的。 码间串扰是信号失真的一种形式， 其中一个数码会干扰后续信号， 从而使通信可靠性降低。 这是一种不良现象，因为先前的数码 与当前数码的噪声具有相似的效果。 噪声是有害信号，它不 携带有用信息。 为了在接收器端正确解码，需要 将信号保持在一定的信噪比。 当信号沿着电缆或连接器等传输 介质传输时，会发生信号反射，并且某些 信号功率可能会反射回其源端， 而不是沿电缆一直传递到 远端。 当连接器或电缆中的缺陷 导致阻抗不匹配以及接口处的非线性变化时， 会发生反射。 抖动可能会导致显示器闪烁，影响 台式机或服务器中的处理器按预期运行的 能力，或者可能会导致 咔嗒声或其他不良效果和 音频信号。 这些所有因素都会导致高速信号遭受 信号劣化。 可以通过使用信号调节器 来解决或减轻抖动问题。 由于随机抖动的无界性，不可能 消除所有由抖动引起的错误。 但可以实现目标误码率或 BER。 转接驱动器或重定时器等 信号调节器可以帮助纠正抖动问题， 以实现目标误码率。 这里是信号调节器的几个用例。 一个用例是扩展器件的工作范围。 例如，器件数据表可能 指明最大布线长度为 4 英寸， 无需使用信号调节器。 但系统设计目标需要 8 英寸。 第二个用例是纠正特定器件的 缺点。 例如，特定器件可能 具有性能不足的接收器，导致 无法通过 RxJTol 合规性测试。 该器件的发送器可能具有很差的 性能 -- 例如，高随机抖动、低于标准的占空比失真、 很弱的电压摆幅等。 这里是一个扩展器件工作范围的示例。 USB 3.1 主机数据表可能指定主机 和 USB 连接器之间的最大长度 为 4 英寸。 但是外形尺寸可能需要 8 英寸的长度。 在本示例中，该额外的4 英寸会对 I 图产生 不利影响。 对于该用例，需要使用信号 调节器来处理额外的 4 英寸。 在该示例中，使用了德州仪器 (TI) TUSB1044 信号调节器的IBIS AMI 模型，以展示 可以使用信号调节器将该 长度从 4 英寸扩展至 8 英寸。 由于扩展布线长度会增加 额外的 ISI 抖动，因此可以使用 TUSB1044 等 转接驱动器信号调节器。 系统中的总抖动是 所有确定性抖动和随机抖动之和。 离信号源越远，抖动 对数据的影响就越大。 抖动分为两部分，即随机抖动和 确定性抖动。 随机抖动通常是由热噪声或散粒噪声以及其他 无界的来源引起的。 随机抖动是无界的，但具有高斯分布。 无界意味着不存在最大限值。 确定性抖动可进一步分为三部分：周期性 抖动、有界不相关DJ 和取决于数据的 DJ。 取决于数据的DJ 可进一步 细分为码间串扰和占空比失真。 确定性抖动是有界的，这意味着存在限值。 有界不相关抖动源是 来自相邻通道的串扰。 攻击者会将一定量的信号释放到受害 信号中，以使数据变模糊。 码间串扰是由取决于频率的 衰减导致的，该衰减会在 使用 FR4 引线等有损耗的介质时发生。 它还由因通孔和连接器的 阻抗不连续性而发生的反射 导致。 占空比失真通常是由 Tx 上升/下降时间不匹配和/或 Tx 路径中的时钟路由不匹配导致的。 周期性抖动也称为正弦抖动。 它是以固定频率发生的抖动。 它也可能由来自直流/直流 转换器等的电源噪声或与相邻数据信号的 交叉耦合导致。 信号调节器的一种简单形式 是转接驱动器，它是一种模拟组件， 可以通过均衡和增益调节来 恢复衰减的输入信号，并根据信号规格重新 传输该信号。 它还可以转换共模电压。 下一个级别的信号调节器是重定时器。 包含转接驱动器功能的重定时器 是一种混合信号组件， 可以使用时钟数据恢复电路 来恢复衰减的输入信号， 使相位衰减并滤除随机抖动， 然后根据信号规格重新传输该信号。 使用信号调理器有很多好处，包括 在很长的引线或电缆上保持 信号完整性或改善信号质量， 在信号源和连接器之间的 PCB 布局上实现设计灵活性， 改善系统性能，帮助系统满足 合规性要求，实现更大 范围的互操作性，以及延长信号 可以在电缆或引线上 传输的距离。 转接驱动器包含一个连续时间线性 均衡器，该均衡器具有一个明确的目的，即补偿 ISI 确定性抖动。 ISI 抖动是由取决于频率的 损耗通过 FR4 引线或电缆等传输介质引入的。 转接驱动器无法帮助解决随机抖动或非 ISI 确定性抖动问题。 如果需要校正非 ISI 确定性 抖动或随机抖动，则需要 使用重定时器，而不是转接驱动器。 重定时器可以改善确定性抖动 和随机抖动，但不能完全消除 这些抖动分量。 重定时器具有其自身的固有 随机和确定性抖动。 根据重定时器的架构，它可能 会放大通过它的抖动。 好的 -- 为了回顾一下刚刚介绍的内容， 让我们来看看一个小测验并 回答这些是非题。 对还是错 -- 可以通过使用重定时器等 信号调节器来消除随机抖动。 错 -- 随机抖动是由热噪声等 自然原因产生的，因此无法消除。 对还是错 --信号调节器的 一个作用是纠正特定组件的缺点。 对 -- 特定器件可能具有性能不足的 接收器或存在其他缺陷，从而降低信号完整性。 对还是错 -- 转接驱动器可以解决系统中的随机 和 ISI 问题。 错，尽管转接驱动器可以缓解 ISI 问题，但 无法解决随机抖动问题。 对还是错 --重定时器可以 补偿随机抖动和确定性抖动， 并在其输出端提供无抖动信号。 错，尽管转接驱动器 可以补偿某些确定性抖动， 但它会在输出信号中生成自己的随机抖动 和确定性抖动。 因此输出并非完全没有抖动。 最后，很高兴您能参加该信号调节器 介绍课程。 在其他课程中，我们将向您介绍 有关信号调节器类型及其差异的 更多详细信息。 请查看 TI.com中的 TI E2E 社区， 获取许多有用问题的答案以及 其他关键信息。