高速串行通道的信號完整性問題分析

高曉宇， 楊龍劍

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

隨著應用對于數據傳輸帶寬和速率需求的不斷增長，高速串行接口技術已替代傳統并行接口技術成為高速數據傳輸的主流。PCI Express、SATA、Hyper Transport、InfiniBand、HDMI等眾多高速串行接口標準被制訂出來，廣泛應用于通信、計算機、網絡、消費電子等眾多領域。如在計算機中，PCI Express已替代PCI在系統總線的主流位置，而SATA則替代 PATA在磁盤互連接口的主流位置。并且，高速串行接口的傳輸速率處于不斷攀升之中。PCI Express 1.0在 2002年推出 1.0版規范時，速率為2.5 Gb/s。四年后，PCI Express 2.0升至5.0 Gb/s。2010年 PCI Express 3.0發布，速率再躍升至 8.0 Gb/s。數據信號的傳輸以如此高的速率運行，帶來一系列信號完整性問題。這些問題在傳統并行接口主導的時代因為信號速率較低而很少影響到數據的正確傳輸。而在高速串行接口互連設計中，理解互連通道的信號完整性問題并采取應對解決措施，將是設計成敗的關鍵。

1 高速串行通道

“通道”是指信號從發送端到接收端所經過的整個互連路徑。如圖1所示，在一個背板互連系統，高速串行信號的傳輸將經過芯片封裝、印制板走線（傳輸線）、過孔、連接器、背板走線（傳輸線）等，它們共同組成高速串行通道[1]。

圖1 背板互連系統的高速串行通道

2 損耗

銅材質的互連部件，如傳輸線、芯片封裝內部銅走線、連接器引針等，都會對信號的傳輸產生損耗。損耗的產生根源主要是兩種：導體損耗和介質損耗[2]。

導體損耗是指由于銅導體自身固有的電阻而導致的信號能量損失。信號流經傳輸路徑，而路徑各部分（走線、過孔、引腳等）并非理想的導體，具有電阻，其實質就如同負載，必然分去一部分信號幅度，導致接收端的信號幅度減小。從這個基本原理的角度來看，導體損耗似乎只跟導體的幾何尺寸有關。然而事實上，由于趨膚效應的存在，高速串行信號的高頻率特性是導體損耗的主要成因。直流和低頻率信號（MHz以內）沿著導體傳輸時，電流是均勻分布于導體內部的，而在高頻率的情況下，尤其是1 GHz以上時，在越貼近導體表面的地方，電流分布越密，越貼近導體內部中心的地方，電流分布越少。這稱為趨膚效應。頻率越高，趨膚效應越明顯。因為運載電流的導體成分減少，趨膚效應在效果上等同于電阻增大，將帶來更大的導體損耗。

介質損耗是指信號在介質中的能量損失。傳輸線由信號路徑、返回路徑及兩者之間的介質組成。理想情況下，認為介質是徹底絕緣的，電阻為無窮大，外加信號電壓時沒有電流流過，因此不會消耗能量。但實際上，現實世界中的任何介質材料都是有電阻率的。信號傳輸時在介質兩端形成的電壓將產生電流流過介質，造成能量損耗。介質損耗也是隨著頻率的上升而增加。

圖2是對一段20 cm長、8 mil寬PCB走線的損耗測量結果。可以看到，頻率超過1 GHz后，導體損耗和介質損耗大大增加。

數字信號是寬頻帶信號，其頻譜分布與信號的上升時間（上升沿的爬升時間）有很大關系。信號比特速率在10 Mb/s、100 Mb/s這樣的量級水平時，上升時間一般在 1 ns以上，信號中的高頻分量（1 GHz以上）在整個頻譜中占的比重很低，即便損耗嚴重，也不影響信號波形的基礎框架。所以，低速信號的損耗對波形影響有限，可以忽略。而高速串行信號是快速跳變的信號，其上升時間通常在100 ps以內，含有大量高頻成分。信號經過一定距離的傳輸后，高頻成分的損耗將遠大于低頻成分，信號波形可能發生嚴重畸變。

圖2 傳輸線導體損耗、介質損耗與頻率的關系

圖3是一個5 Gb/s的高速串行信號經過不同長度的傳輸線后在接收端觀察的眼圖。10 cm傳輸線的眼圖狀況很好。隨著傳輸線長度增至 20 cm、40 cm，損耗導致的信號衰減越來越嚴重，眼圖的“眼高”越來越小。在傳輸線長度80 cm時，信號衰減相當厲害，“眼高”僅為16 mV，這根本無法滿足接收端識別信號狀態的門限條件，接收必然出錯。

圖3 不同長度的傳輸線對高速串行信號的衰減情況

3 反射

反射自來就是影響信號完整性的關鍵因素。即便是在33 Mb/s、50 Mb/s、100 Mb/s這樣較低速率等級的互連系統中，反射問題也足以導致信號接收失常。所以，與損耗不同，反射問題在并行接口技術主導的時代就已得到了充分重視，是信號完整性分析和設計的重要內容。

高速串行接口工作速率高達1 Gb/s以上，無疑，反射的可能危害性遠比在并行互連接口中更大。但同樣需要指出的是，信號的上升時間才是更本質的因素，而非信號的比特速率。圖4是對比特速率相同而上升時間不同的三個信號經過同一段傳輸線后在接收端的仿真波形比較。可以看到，上升時間越快，反射導致的波形“振蕩”越嚴重。

圖4 不同上升時間的接收端反射波形

反射發生的根源在于信號傳輸通道的阻抗不連續[3]。發送端、引腳、走線不均、過孔、連接器、接收端，凡是阻抗發生改變的地方，都是通道上的阻抗不連續點，信號流經時便發生反射，造成波形失真。傳統上，板級互連系統主要采用兩種手段抑制反射：①均勻傳輸線；②端接匹配。均勻傳輸線采用精確的印制板走線阻抗設計，確保走線的阻抗連續無改變，消除在走線上發生的反射。端接匹配則是通過端接使信號發送端或接收端的阻抗與傳輸線相匹配，消除在通道兩端發生的反射。

高速串行互連設計仍需要這兩個手段來消除反射。但是，在設計實踐中的側重點卻有所變化。在端接匹配的運用方面，并行接口互連設計大多在發送端進行串聯端接，這種端接方式并不消除信號在到達接收端后產生的第一次反射，而是消除反射信號回到發送端后的第二次反射。這樣，波形總是疊加了第一次反射的影響。雖然從設計的期望來講，反射應當消除得越早越好，但在并行互連的設計實踐中，串聯端接所達到的反射抑制效果已經足夠。而在高速串行互連設計中，信號的上升時間達到100 ps以內，反射的危害大大增加，盡早消除第一次反射非常必要。所以，高速串行互連系統最有效的端接匹配方式是在接收端進行并聯端接，如圖 5所示。事實上，目前大多數高速串行接口集成電路芯片已將這個接收端并聯端接電阻集成于內部，板級電路設計通常已不必再考慮端接。

圖5 串聯端接和并聯端接

在“均勻傳輸線”方面，高速串行互連設計所遇到的挑戰也比并行互連大得多。因為信號上升時間非常快，在過去可以被忽略的一些細微環節現在也可能導致信號接收的失常，設計必須從整個通道的層面綜合考慮，減少累積反射影響。比如，在Mb/s速率級別的并行互連通道的設計中，走線時布下的一、兩個過孔屬于阻抗不連續點，但它對整個信號完整性的影響是比較細微的，很難成為最終導致信號接收失敗的根源因素。而在高速串行通道中，一、兩個過孔帶來的反射效應也是可觀的。圖6是某高速串行通道的傳輸線上添加兩個過孔前后的接收端眼圖仿真對比。可以看到，增加兩個過孔后，“眼紋”更加雜亂不清，“眼高”降低，抖動也明顯增加，這些都是反射增加所導致的后果。

圖6 過孔帶來的反射效應對眼圖的改變

4 串擾

由于電磁場的作用，在一個通道上傳輸的信號會部分地耦合到鄰近的其他通道上，從而改變其他通道上正在傳輸信號的波形，這是串擾發生的根本原因。在Mb/s速率級別的并行互連系統中，串擾是一個被熱烈議論的信號完整性問題，但在設計實踐中，很少遇到完全因為串擾而導致的信號接收失敗。這是一個同損耗類似的因素，它對信號的危害程度在高速串行互連系統中變得嚴重起來。其根源仍在于上升時間。比較周期相同但上升時間不同的兩個時鐘信號在同樣的傳輸線系統中串擾到同一個相鄰信號通道引起的波形改變，如圖7所示。可以看到，上升時間為500 ps的時鐘信號在相鄰通道上產生的串擾幅度僅為80 mV，而上升時間提高到100 ps后，串擾幅度大增至300 mV。

圖7 不同上升時間的串擾對比

5 新的分析方法

高速串行接口使用串行器/解串器（SerDes，Serializer/Deserializer）進行信號收發，并且大多采用8B/10B編碼技術進行線路編碼[4-5]，完全不同于傳統并行接口的傳輸機制。這種差異使得對高速串行通道的信號完整性分析需要采用不同于傳統并行設計的新方法。

（1）眼圖分析

眼圖是對高速串行信號按“位”連續捕獲并疊加波形所形成的測量結果，是高速串行信號波形最直觀的反映。評判眼圖是否合格的最直接的方法就是使用眼圖模板。每一種高速串行接口標準（PCI Express、SATA、Hyper Transport、InfiniBand、HDMI等）都會在其規范中發布眼圖模板，該模板規定了正確接收數據所需要的信號眼圖規格，包括信號能夠出現的區域和不能出現的區域。將實測的信號眼圖與標準眼圖模板相比較，信號是否合格便一目了然。

（2）抖動分析

抖動是指信號在時域上的跳變位置相對于其理想位置的偏差。在高速串行互連系統中，損耗、反射、串擾等各種因素都會造成信號的抖動。由于高速串行信號采用接收端時鐘恢復的傳輸機制，抑制抖動對于信號的正確接收至關重要。通過對抖動進行分析，可以掌握抖動背后的根源因素，便能對癥下藥，在高速串行通道的設計中進行改進。

（3）碼間干擾（ISI）

高速串行信號是一位一位地進行發送的，如果由于傳輸通道的限制，導致信號位的波形“拖尾”、“展寬”等超越了一位的寬度，進入到相鄰位甚至附近其他位的區域，從而對其他位的狀態造成影響，這便是碼間干擾現象[6]。對ISI進行評估是分析高速串行信號完整性的一個重要手段。

6 結語

高速串行接口技術的應用給高速串行通道的設計帶來了全新的挑戰。由于信號的上升時間變得越來越快，損耗、反射、串擾等導致的信號畸變越來越嚴重。只有深入理解各個根源因素造成信號畸變的原理，并清楚它們在低頻與高頻時表現的不同程度，才能正確把握高速串行通道設計的關鍵要點。

[1]張昌駿.高速串行設計的強大工具——眼圖醫生[J].電子測試,2009(06):78-83.

[2]BOGATIN E.信號完整性分析[M].李玉山,李麗平譯.北京:電子工業出版社,2005:201.

[3]張華.高速互連系統的信號完整性研究[D].福建:東南大學,2005:18.

[4]劉智,寧紅英,王普昌.一種新的 8B/10B編碼電路設計[J].通信技術,2009,42(07):60-61,84.

[5]李玉偉,潘明海.8B/10B編碼對高速傳輸的影響分析[J].信息安全與通信保密,2011(03):41-43.

[6]伍建輝.無線通信系統的碼間干擾抑制方法研究[J].通信技術,2007,40(12) :123-125.