眼圖醫生：均衡放大過度不利於串列連接的原因

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歡迎閱讀「眼圖醫生」系列文章！本文將討論信號集成和硬體工程師在設計或調試速度高達幾個Gb每秒的連接時所面臨的挑戰。無論是進行下一代高解析度視頻顯示、醫學成像、數據存儲或是在最新的高速乙太網和電信協議中，我們都面臨相同的信號集成挑戰。本系列文章從過度均衡開始討論。

現代專用集成電路（ASIC）中的串列器與解串器（SERDES）與現場可編程門陣列（FPGA）通常能夠獲得損耗最多30dB的優異的跨信道連接性能。更長或損耗更大的信道通常需要重定時器或中繼器等信號調節器的幫助。這些器件能夠補償長信道的影響，為系統提供驅動額外距離的必要能力。

中繼器或重定時器的一項主要功能是補償信道的插入損耗。這一功能可以分解為接收均衡和發送均衡。接收均衡電路通常由連續時間線性均衡器（CTLE）組成，偶爾由判決反饋均衡器（DFE）組成。去加重或有限脈衝響應濾波器（FIR）是發送均衡電路的通常選項。接收均衡電路為長信道進行放大信號，補償頻率相關的損耗。發送均衡電路會調整發射信號的形狀，使信號在經過信道減弱後更容易恢復。

對於接收均衡和發送均衡而言，施加適量均衡非常重要。施加的均衡太小（均衡不足）會使信號無法完全恢復。但施加過多均衡（均衡過度）也會出現問題，因為過度均衡波形會干擾接收器恢複數據的能力。

圖1為眼圖的兩個例子。一個眼圖為信道進行了合適的調整（左圖），而另一個眼圖則顯示了過度均衡的信號（右圖）。

圖1：調整適當眼圖與過度均衡眼圖

兩幅眼圖在0V交匯處差異最大。右側過度均衡的眼圖顯示上升沿和下降沿均有分離。這一現象通常稱為「雙條帶」。雙條帶會干擾接收器正常探測頻率或與輸入數據保持正確相位關係的能力。

使用示波器的抖動分解功能，可以在圖2中看到過度均衡的眼圖是如何顯示雙峰抖動內容的。換而言之，抖動分布在兩個頻率上，平均值為數據速率，而非實際數據速率本身。進一步的測試表明，這一雙峰抖動分布與數據相關抖動有關，會受均衡器所施加均衡量的直接影響。

圖2：調整適當與過度均衡眼圖的抖動分解

過度均衡會有多種體現方式；圖3為更經典的例子。左側為適當均衡的眼圖。右側過度均衡的眼圖顯示出雙條帶眼圖沿和位元轉換的幅度過大。在這種情況下，位元轉換的過大幅度會導致與系統規格發生邏輯高和邏輯低電平相容性的匹配問題。還要注意抖動輪廓之間的差異。

圖3：過度均衡的另一種體現方式——過沖雙條帶

在為了獲得最佳性能而調整和優化連接時，記住水平和垂直方向的眼圖。很容易會將其中一個最大化，但是一定要避免過度均衡信號，否則會增大誤碼率。