重建长距离传输退化信号的完整性

简介
理想情况下，当在航空公司柜台托运包裹时，我们从行李提取处拿到的包裹应该和托运时毫无二致。但不幸的是，事实上很少有这种情况。与之类似，理想情况下，当向电缆、PCB走线或连接器发出信号时，重新获得的接收信号应该和发送时完全一样，但事实上也很少有这种情况。值得欣慰的是，对电子信号来讲，我们有能力将信号恢复成与原始信号一样，甚至某些情况下更好。比如托运一包脏衣服，当我们领取时它变成了干净且经过熨烫的衣服。对电子信号来讲，我们事先已经知道该信号将是什么形状，然后可以利用这一点――对于大多数数字信号，我们知道幅度、上升/下降时间和时钟频率。因此，为了获得较好的接收信号，所要做的就是把这种模板施加到信号上，并对信号进行清理。我们将在本文中探索信号在电缆或PCB走线中退化的方式，以及如何对这些退化信号进行重建。
　　在整篇文章中，我将把用于单电缆传输高清晰、未压缩视频数据的信号作为例子。规定该信号的标准是SMPTE （电影与电视工程师学会）292M――简单来讲它描述了一个具有800mV p-p电平并通过75W同轴电缆以大约1.5Gbps速率传输的信号。尽管大多数图像和实例都基于这 个特定应用，但是对于任何利用金属介质传输的高速信号来讲，其基本原理都大同小异。
　　
对互连信号的影响
　　
当AC电流流过导体时，它倾向于在导体的表面（表层）流动。这就是我们所熟知的趋肤效应。更精确来讲，趋肤深度δ为
　　
其中δ是趋肤深度，表示当场强衰减了一个 e 因子时的导体深度，σ是该导体的传导率，ω是AC场的变化频率，μ0是自由空间的磁导率。趋肤效应意味着信号的频率越高，电缆的有效截面越小。
　　
所带来的影响是，当信号通过电缆或者PCB走线时，将被滤波成一个低通响应。该响应的形状都是一样的：衰减与√f成正比。随着电缆（或PCB走线）的长度增加或减少，衰减的幅度也会发生变化，但是基本形状保持不变。厂商（比如国家半导体）提供的有源均衡器可以自动调整均衡器的增益，从而使均衡器的输出与原始信号一致。通用视频电缆的插入损耗如图1所示――实际的损耗与电缆长度成正比，因此，对于200米的电缆来讲，可以把该曲线提供的损耗加倍。

图 1 100米同轴电缆的插入损耗

在传输介质已知且固定的系统中――例如底板环境，可以使用固定均衡器和/或预加重的结合方案。DS15BR400是一种采用该方案的产品，它提供了预加重和均衡器，两者都具有固定的数量（由用户设定），从而与相应的传输环境进行匹配。
　　
采用预加重来扩展驱动器的到达范围
　　
当采用预加重时，传输缓冲器发送给传输线的信号首先进行预失真，从而加速高频元件，因此当信号被底板衰减时，最终得到的结果好像没有经过底板的任何衰减。还是以托运行李为例，这类似于在托运之前对手提箱进行泡沫包装－－大家知道航空公司会把这些泡沫包装切碎，当领取行李不会看到这些包装，但是通过这样做，托运过程中手提箱受损的可能性大大降低。

图2 预加重对底板连接的作用。

　　
均衡使信号传输得更远
　　
预加重有其局限。工艺的进步导致采用更小的电源电压，预加重的数量受到电源电压与信号摆幅比值的限制。还有另一种把信号从源传输到接收端的方式，即利用均衡器在接收端对信号进行重建。均衡器采用一个高通滤波器（与底板传输函数相反），这种方式可以恢复具有很小眼图张开度的信号，甚至在衰减大于VDD/Vsignal 比值的情况下也可以使用。实现这种功能的一个例子是DS20BR100，图3中就是以该器件为范例。

图3 配备和未配备均衡器的底板接收器

　　
对于很多系统来讲，信号传输介质并非底板，而是电缆，而且电缆的长度是未知的。这种情况下，预加重将无法工作，此时重建信号的唯一方法就是利用那些能够动态调整增益的均衡器。这可以通过自适应电缆均衡器（例如国家半导体的LMH0044）完成。该部件具有编程√f 频率响应输入，可以通过反馈环对调整的增益进行控制，从而使其能够自动调整增益，因此在1.5Gbps输入信号的条件下，该均衡器可以对0到200米范围内的任何电缆长度进行均衡。电缆传输之前、电缆传输之后以及均衡后得到的信号分别如图4、图5和图6所示。  

图4 电缆驱动器发出的1.5Gbps的信号  

图5 经过200米同轴电缆传输后得到的1.5Gbps的信号(Belden 1694A)  

图6 经过200米电缆传输，然后通过LMH0044自适应电缆均衡器进行自动均衡得到的1.5Gbps的信号

　　
如果将图4中的波形与图5中的波形进行比较，你将发现尽管图4中的眼图张开度已经很大，但图5中的信号还是具有更多抖动。如果这样的信号再经过电缆传输，然后再被均衡，抖动将会加剧，最终信号的完整性将会丢失。
重计时使我们回归开始阶段
　　
在重计时技术中，我们依赖这样一个事实，即接收器“知道”初始信号的数据率，然后生成一个稳定的具有相同频率的本地时钟，利用这个时钟对均衡器输出的信号进行重计时――因此降低了抖动积聚。
　　
关键在于使本地时钟和发送时钟同步，因为在发送超过1 Gbps的数据时，频率的偏差（即使1ppm的偏差）也将迅速导致灾难。这里的同步将通过锁相环（PLL）实现。