7.4 信号完整性如何影响眼图？

[音乐播放] 大家好，欢迎观看 TI高精度实验室视频。 如果您已经设计过或考虑设计 具有高速数据的系统，可能会遇到 信号完整性以及对信号性能 产生影响的问题。 在评估、设计和调试系统时， 眼图可能很有用。 但是，为了充分利用这些测量， 了解不同信号完整性概念的表现方式 至关重要。 在本次课程中，我们将讨论插入损耗、 符号间干扰、抖动、接收器均衡以及 发送预加重和去加重效果对眼图测量 结果的影响。 如果不熟悉眼图以及眼图的 不同用法，请参阅前面的 “什么是高速眼图”视频。 回顾一下，眼图是电气测量结果， 用于评估当今许多复杂系统中的 信号完整性。 “信号完整性”是讨论高速 信号的质量时使用的术语。 高速信号在通过传输介质 和位于传输介质路径上的 其他组件传播时， 应该保持良好的质量。 如果信号完整性不好， 可能会导致接收器无法 正确解释传输的数据。 这可能会导致高速数据链路中的 数据损坏或高速链路 彻底发生故障。 幸运的是，我们可以 通过眼图了解增强或降低 系统性能水平的重要信号完整性概念。 在本视频中，我们将讨论如何确定 信号完整性下降的三个主要因素： 插入损耗、符号间干扰和抖动。 解决信号完整性下降问题的 三种主要方法是使用接收器均衡等 信号调节技术、预加重 以及去加重。 还有许多其他因素 可能导致信号完整性下降， 比如信号反射、占空比失真 和串扰。 还可以使用其他信号调节技术 来解决信号完整性下降的问题， 例如时钟/数据恢复和决策反馈 均衡器。 这些主题将在以后的视频中详细介绍。 当涉及信号完整性下降时， 第一个也是最重要的因素 是插入损耗。 插入损耗是指高速信号通过 传输介质传播时信号功率的自然频率 相关衰减。 但这主要受到作为材料属性的 通道长度和传输介质的影响。 例如，上图显示了 使用不同长度标准 FR4 电介质 PCB 材料的4 密尔宽微带布线的 频率响应或插入损耗曲线。 在大多数情况下，FR4 PCB 布线插入 损耗曲线在整个频率范围内大多呈线性。 但是，随着 PCB布线长度增加， 在较高频率下会看到更多的插入损耗。 了解插入损耗及其在整个频率范围内的变化 非常重要，因为它会影响信号完整性的 其他方面，比如符号间干扰，即 ISI。 符号间干扰是失真符号在数据流中 通过传输介质传播时产生的 具有破坏性的相互作用。 ISI 是由传输介质的插入损耗曲线变化 引起的。 所有高速数据都是由位或符号的不同组合 组成的。 这些符号可以具有1 和 0 的不同组合， 如果分别进行研究，可以发现它们 具有自己独特的频率成分。 每个符号可能不会以相同的方式受到 传输介质的影响。 这种影响可能导致边缘效应，即从高到低 或从低到高的过渡，从而相互产生影响。 我们以右边的两个图为例。 上图显示了 10 千兆位/秒的8b/10b 编码数据， 这是直接在发送器输出端测量的结果。 下图显示了通过8 英寸 PCB 布线的 符号间干扰产生的影响。 比较这两个图，我们可以看到较短的符号， 例如单个 1 或 0 位，它们的峰峰值电压 由于具有高频成分，因此衰减更大。 较长的符号，例如1 1、0 0、1 1 1 或 0 0 0， 它们的峰峰值电压 由于具有低频成分，因此衰减程度 不大。 较短符号的主要衰减 会影响较长符号的边沿， 因此会增加上一个符号与下一个符号 之间的时序误差。 ISI 的影响会导致数据流中的位或符号 出现拖尾现象。 这会在眼图中呈现出来。 在眼图中一起研究插入损耗 和 ISI 很有用，可以确保 两者之间存在紧密的关系。 我们将比较上眼图和下眼图 找出它们之间的主要差异。 上眼图将作为我们的基准， 这是直接在发送器输出端测量的结果。 在这个眼图中，我们可以看到， 前沿和后沿的抖动很小， 眼图中编译的不同符号的 VH 和 VL 电平 变化很小甚至没有变化， 由于眼图没有应用衰减， 所以眼图高度和眼图宽度很大。 现在，观察下眼图，当高速信号应用了 一定的插入损耗和 ISI 时，我们可以辨别出 主要差异。 暂停一下，看看您是否可以识别出这些差异。 增加的插入损耗和 ISI 将导致 构成眼图的所有符号发生变化。 下眼图中已在特定频率下 应用了一些插入损耗。 这会导致整个眼图出现一定量的 ISI， 从而导致插入损耗， 造成峰峰值电压或眼图幅度降低， 对后沿形状和上升时间产生 负面影响；在两个直流电压电平下， VH 和 VL 电平发生变化，或者频带 变宽，导致眼图高度降低；由于 ISI， 总抖动增加，导致眼图宽度减小。 一些高速示波器可以用皮秒 或毫秒 UI 来测量 ISI。 这是从总抖动近似计算得出的。 我们还可以增加插入损耗和 ISI 的大小， 从而得到一个更极端的例子，使变化更加明显。 眼图中信号完整性下降的另一个基本概念 是抖动或总抖动。 通常，抖动是衡量与数字 信号真实周期之间偏差的 度量衡。 眼图中的总抖动是 所有确定性抖动和随机性 抖动之和。 影响眼图的最常见的抖动类型是与数据 有关的抖动。 但是，在眼图中可以看到所有类型的数据。 如果您不熟悉不同类型的抖动， 建议您观看“什么是信号调节器” 视频。 抖动可能以多种形式出现。 不过，我们将重点讨论抖动给眼图 带来的最基本、最常见的变化。 同样，我们这次将比较 上眼图和下眼图 找出它们之间的主要差异。 上眼图将作为我们的基准。 请注意，这个例子中的抖动非常低。 不过，测量出的总抖动不是 0。 在这个眼图中，我们可以看到， 前沿和后沿的抖动很小， 交叉区域没有变化。 现在，观察下眼图， 当高速信号的总抖动增加时，我们可以 辨别出主要差异。 暂停一下，看看您能不能识别出这些差异。 总抖动的增加将导致 前沿和后沿的变化。 在这个眼图中，一些额外的抖动 已添加到信号中， 导致眼图的前沿和 后沿的变化增加， 从而减小了眼图宽度。 随着测量的 TJ 接近0.5 UI，可以看到 这种影响更大，还可以看到交叉区域随时间出现 较大变化。 我们还可以增加总抖动量， 然后得到一个更极端的例子，使变化更加明显。 同样重要的是要注意， 即使抖动大幅增加，后沿形状和上升时间 也不会受到影响，并且 VH 和 VL 电平 几乎没有变化。 降低的眼图高度不受影响。 刚才，我们讨论了一些导致 信号完整性下降的因素， 现在我们将讨论一些使用信号调节技术 来解决这些问题的方法。 用于解决信号完整性下降 问题的主要工具是接收器均衡。 顾名思义，接收器均衡 通过选择性增强高频数据 而在信号路径的接收器端发挥作用。 均衡器电路实现了一个高通滤波器， 这个滤波器的频率响应在理想情况下 与传输介质的损耗曲线完全相反， 导致数据在目标频带中的 衰减为 0。 这样，均衡器有助于补偿通道中的 插入损耗，还可以降低 ISI。 接收器均衡通常是 可编程的或自适应的， 因此允许在同一设计中 使用多种传输介质。 在实际应用中，接收器均衡有一定的局限性。 随着频率的增加，传输介质的 插入损耗曲线将超过接收器均衡 带来的增强效果。 此外，一个负增益将应用于信号。 接收器均衡器的频率响应必须 具有足够的带宽，从而补偿 高速数据流中最高频率时的 衰减，这一点很重要。 比较上眼图和下眼图，上眼图是没有接收器 均衡的衰减眼图，下眼图是 有接收器补偿的衰减眼图， 然后找出一些主要差异。 上眼图是直接在接收器输入端测量的结果。 与之前的示例相比，我们可以看到 插入损耗、ISI 和抖动的相似影响。 眼图张开度大大减小了。 根据接收器的输入要求， 这可能会导致信号完整性下降。 在这个例子中，某些位受 8 英寸 PCB 布线的影响 要大于其他位。 这导致构成眼图前沿和 后沿的边沿出现一定 程度的分离。 有时，我们将其称为双带。 现在，请观察下眼图。 当高速信号通过接收器均衡应用了 一些补偿时，我们可以 辨别出主要差异。 暂停一下，看看您能不能识别出这些差异。 总抖动的增加将导致 前沿和后沿的变化。 在这个眼图中，一些额外的抖动 已添加到信号中， 使得在应用均衡后， 眼图张开度得到重大改善。 由不同符号的衰减引起的双带 在很大程度上得以消除， 有助于改善眼图高度和眼图宽度。 VH 带和 VL 带的厚度减小了。 ISI 引起的抖动已部分降低， 但仍然存在一些抖动。 这个眼图具有近乎理想的补偿量， 可以在最大程度上改善眼图。 前沿时间略有减少。 如果我们继续增加接收器均衡 提供的补偿量，那么眼图 可能会开始变得过度均衡。 在使用接收器均衡的情况下， 有可能出现过犹不及的问题。 在这个眼图中，我们将展示这一点。 在这个过度均衡的极端例子中， 我们看到随着接收器均衡对较高 频率符号的影响大于较低频率符号的影响， 再次出现了双带。 在这种状态下，眼图高度实际上可能增加。 过度均衡会意外放大 一些低频噪声和抖动。 这会导致眼图宽度减小。 VH 带和 VL 带的粗度会大大增加。 根据传输介质将接收器均衡 调整为适当的值 来避免过度均衡， 这一点很重要。 另一种可以使用的信号调节技术 是预加重。 预加重侧重于在信号路径的发送端 对数据内容应用频率选择性 增强。 为了补偿传输介质中的 ISI 影响， 预加重会增加 边沿的能量，即高频分量， 这是相对于波形平坦部分， 即低频分量。 在上面的波形中，我们可以看到一个预加重例子。 我们可以看到原始信号为蓝色， 应用预加重后为橙色。 预加重通过增强高于实际 VH 电平 或低于 VL 电平的信号边沿过渡 来增强数据的高频成分。 理想情况下，增强效果将被 接收器处的传输介质完全抵消。 因此，数据接收器会看到常规的位 1 或位 0。 找出眼图中的预加重有时 会有点棘手。 我们将比较上眼图和下眼图 找出它们之间的主要差异。 上眼图将作为我们的基准， 这是直接在发送器输出端测量的结果， 没有添加任何预加重。 在这个眼图中，对于眼图中编译的 不同符号，您应该注意到 VH 和 VL 电平变化很小，甚至没有变化， 交叉区域也没有变化。 现在，观察下眼图， 向高速信号应用预加重后，我们可以 辨别出主要差异。 暂停一下，看看您能不能识别出这些差异。 预加重将导致构成眼图的所有符号 发生变化。 这会导致整个眼图的边沿出现 一定量的变化。 要找出眼图中的预加重， 应该寻找高于预期VH 电平或低于预期 VL 电平的边沿过渡，即上升时间 减少的前沿。 预加重通常不会增加抖动 或影响交叉区域。 我们还可以增加预加重的量， 从而得到一个更极端的例子，使变化更加明显。 在这个例子中，我们可以看到， 如果过多的预加重会产生双带效果， 则可能会突破IMS DC 高电平 或 DC 低电平区域，或以意想不到的方式 使预期的信号频率成分失真。 我们将讨论的最后一种信号调节技术 是去加重。 去加重技术侧重于对信号 路径发送端的数据内容 应用频率选择性衰减， 是对预加重的补充。 去加重会降低波形平坦部分 相对于边沿的能量。 在上面的波形中，我们可以看到一个去加重例子。 如果符号包含不止一个低于 VH 电平或高于 VL 电平的位，去加重可以使符号中的 DC 电平衰减。 这里应用的去加重实际上 有助于提高信噪比， 使信号的高频成分 对于数据接收器而言更为突出。 与预加重一样，在眼图中辨别出 去加重可能有点棘手。 我们将比较上眼图和下眼图 找出它们之间的主要差异。 上眼图将作为我们的基准， 这是直接在发送器输出端测量的结果， 没有添加任何去加重。 在这个眼图中，对于眼图中编译的 不同符号，您应该注意到 VH 和 VL 电平变化很小，甚至没有变化， 交叉区域没有变化。 现在，观察下眼图， 向高速信号应用去加重后，我们可以 辨别出主要差异。 暂停一下，看看您能不能识别出这些差异。 去加重将导致构成眼图的所有符号 发生变化。 这会导致整个眼图的边沿出现 一定量的变化。 要找出眼图中的去加重， 应该寻找低于预期 VH 电平 或高于预期 VL电平的边沿过渡， 即上升时间略有增加或 没有增加的前沿。 去加重通常不会增加抖动 或影响交叉区域。 我们还可以增加去加重的量， 从而得到一个更极端的例子， 使变化更加明显。 在这个例子中，我们可以看到，如果添加过多的去加重， 可能会出现双带。 这可能会降低测得的眼图高度 或以意想不到的方式使预期的信号 频率成分失真。 感谢您观看我们有关眼图中的信号完整性的 培训。 我们来完成一个小测验，回顾一下讨论的内容。 请选择所有正确的陈述。 预加重会影响信号的高频 成分。 接收器均衡有助于衰减 固定频带中的信号。 仅在发射器处应用预加重 和去加重。 去加重会影响信号的低频 成分。 正确答案是 A 和 D： 预加重会影响信号的高频成分； 而去加重会影响 信号的低频成分。 请选择所有正确的陈述。 所有传输介质中都存在插入损耗。 增加的总抖动会缩小测得的眼图宽度。 ISI 将以相同的方式影响数据流中的 所有符号。 正确答案是 A 和 B： 所有传输介质中都存在插入损耗； 以及增加的总抖动会缩小测得的眼图宽度。 对还是错？ 信号调节技术是有助于确保 良好眼图的重要工具。 这是对的。 信号调节技术是有助于确保 良好眼图的重要工具。 请访问TI E2E 社区