高速串行总线设计基础（九）揭秘SERDES高速面纱之线路均衡与误码检测_专栏

前言

上篇文章：高速串行总线设计基础（八）揭秘SERDES高速面纱之CML电平标准与预加重技术着重介绍了高速串行总线中的预加重技术，它是解决在连续的“ 1”之后，高频“ 0”脉冲可能无法达到信号摆幅的中间电平，或者连续的“0”之后，高频“1”脉冲可能无法达到信号摆幅的中间电平，这是由于ISI导致的，如下图：

ISI的影响本文继预加重技术之后，介绍线路均衡的相关知识，进而提出误码率以及CRC等重要概念，下面一起来看：

线路均衡

发送预加重和接收均衡可以使SerDes设备在更长距离上工作。有关预加重可见本系列上篇：高速串行总线设计基础（八）揭秘SERDES高速面纱之CML电平标准与预加重技术本节简要介绍线路均衡技术：高速串行总线的链路会使得信号在到达接收器之前有所衰减，衰减取决于频率，这是对其最佳使用的主要限制因素。这种与频率有关的衰减会在接收到的信号中引起明显的符号间干扰（ISI），从而给时钟和数据恢复带来困难，并导致更高的误码率（BER）。

如下图：接收器端的ISI

图中示出了在信号到达接收器之前被链路衰减的传输信号的表示。通过显着降低ISI并恢复严重降级的数据，发送器和接收器可以采用某种形式的线路均衡来实现可靠的操作。

均衡是为了补偿相对于频率的阻抗/损耗差异。均衡器有多种形式，但通常可以分为有源型和无源型。

有源均衡器：频率相关的放大器/衰减器。无源均衡器：一种无源电路，其频率响应与传输损耗互补；类似于滤波器。

无源均衡器是一种无源电路，它的频率响应与传输损耗是互补的。无源均衡器可以看作是一个滤波器。如果我们过滤掉传输线通过的频率，而不过滤它不通过的频率，就可以使整体响应平坦化，如下图所示。

有源均衡器可以被认为是频率相关的放大器/衰减器。有源均衡器有两种类型：固定模式和自调节。无论输入数据流是什么样子，固定模式有源均衡器都具有相同的频率响应。

该设置的增益衰减模式可以是用户可选的或可编程的。有些具有简单的控制-具有高或低增益的n设置。它们类似于简单音频系统上的低音控制。或者它们可以允许在各个频带上进行单独设置，就像在更复杂的音频系统上的均衡器设置一样。下图显示了一个均衡器可能的频率响应的图表。

自调节或学习均衡器更加复杂。它分析输入信号并检测传输路径正在衰减哪些频率。调节和测量在闭环系统中进行。自调节均衡器取决于输入的比特流。

固定模式和自调节是有源均衡器的两种类型。

通常，这种类型的均衡器被设计为与特定类型的线路编码方案一起使用。学习均衡器最适合具有可变通道的链路，例如可变电缆长度或插槽位置有明显差异的背板系统。

固定均衡器更适合无可变性的系统，例如芯片到芯片，平衡背板和固定长度电缆系统。均衡器有时包含在SERDES的模拟前端中，或作为单独的组件添加到系统中，如下图。

外部3G均衡器的样本情况说明书电缆也可以均衡。最常见的电缆均衡技术是在电缆组件中（通常是在连接器中）添加无源均衡电路。

一些高端电缆通过涉及镀银实心铜电缆的新颖电缆构造技术获得均等型特性（图3-38）。

光纤系统

如果电缆比相邻的机箱走得更远，设计方案很可能是光缆。有了光缆，就有多种光缆选择，可以将信号传到楼上、穿过大楼、绕过街区或穿过城市。

基本的光学系统由发射器或源，光纤和接收器组成。

光纤系统使用光代替电力来传输信息。基本系统由发射器或源，光纤和接收器组成，该接收器将光脉冲转换回电信号。光源通常是注入激光二极管（ILD）或发光二极管（LED），如图所示。

由于全内反射的原理，光纤允许光脉冲的传输。该原理表明，当入射角超过临界值时，光不会从玻璃中射出。取而代之的是，它会弹回去。简单来说，纤维就像是一条柔软的长纸巾大小的管子，内衬镜子和手电筒。当手电筒向下照光时，即使灯管弯曲了一个角，光仍会持续到尽头。

全内反射：当入射角超过临界值时，光不会从玻璃中射出。相反，灯光会反射回来。

光纤有两种类型-单模和多模（图3-40和图3-41）。单模式更昂贵，并且允许更长的运行时间。多模式比较便宜，只能用于较短的距离。基本的光连接器如下图所示。

误码率

误码率（BER）是吉比特链路设计人员所关心的问题，尤其是在从并行底板转换为串行底板系统时。没有链路的BER为零，因为总是存在潜在的错误。在许多较低速率的系统中，错误的可能性是由于宇宙射线干扰造成的。而且这种可能性很小，以至于基本上为零。那么为什么串行链接不同？

有以下三个原因：

宇宙射线会导致错误，尤其是在过渡期间碰巧撞到它们时。信号越快，过渡越多，过渡期间发生宇宙射线的可能性就越大。
对于任何给定的BER，信号越快，发生错误的可能性越大。
高速时钟数据恢复不是一门精确的科学。抖动，ISI和许多其他现实世界的干扰会导致错误的数据决策，从而导致错误。例如，PLL不断尝试适应不断变化的输入信号。随着振荡器随温度变化而漂移，可能会发生误差。

Realities of Testing

尽管上述原因具有实际效果，但仔细分析并行底板，源同步链路或任何通信通道可能会发现类似的故障。但在大多数情况下，通常将其假定为接近零且被忽略。

为什么我们在千兆SERDES中不应该有同样的顾虑呢？因为他们原来的环境是通信行业的长短途光传输。这是一个一直担心、测试、设计、指定误码率的行业。而这对吉比特SERDES的BER影响最大。

一些标准如XAUI和SONET的一些变体规定了一个最大误码率。不幸的是，测试误码率是困难的、枯燥的、耗费时间的。而且要得到一个改进的单位，难度会成倍增加。误码率通常用10-x表示，所以从10-8到10-9需要10-x的时间。测试在某些时候变得不切实际。因此，大多数制造商都是以公布的标准中最严格的误码率进行测试，而不是更进一步。

CRC

但是，设计者仍然必须设计一个稳健的系统。要做到这一点，他必须首先检查系统的要求，看看能否使用造成问题的常用方法。

一种方法是错误检测数据重传。对传入的数据进行检查，看是否有错误。如果发现了任何错误，就会向发送方发送消息，让其重传。错误检测的首选方法是CRC。这种方法非常普遍，以至于许多SERDES直接在SERDES中包含CRC生成和检查硬件。通常情况下，重传请求被内置在上层协议中。如果使用的协议支持CRC和重传，或者数据要求可以实现，这是最好的解决方案。

如果这不可能，还有其他选择。设计者可以简单地建立和测试系统，看看它是否能工作。已公布的所选SERDES的误码率是对其测试程度的说明，所以设计者有一定的回旋余地。他有可能建立一个比公布的数字好得多的系统。除了是指定的测试停止点外，测试可能是在极端情况下进行的（输入抖动非常接近最大值等）。如果他设计的系统能提供更好的输入流，他就会得到更好的结果。

数据提供了另一个可以考虑的选择。大多数数据流都有一个模式，它们比用于误码率测试的伪随机比特流更可预测。这可能是好的或坏的，取决于传输路径和均衡器对数据流的反应。这必须进行测试和调整。

因此，建立一个系统并看看它是否会工作，这并不是完全牵强的。然而，如果这样做会带来管理上的顾虑，前向纠错（FEC）可以减轻顾虑。

在某些应用中使用的FEC

由于设计人员知道错误将要发生，因此他可以准备通过提供额外的数据位来从这些错误中恢复。

FEC：前向纠错-将额外的位添加到数据中以帮助从错误中恢复。

让我们研究一下FEC的工作原理。考虑要发送的数据块长NxR个字节，并将其分成N个字节乘以R行的矩阵。现在，在每一行增加一个额外的字节，在矩阵中增加一个额外的行。这些是额外的槽。

关于数据块的附加信息将被放在这些槽中。在这个例子中，额外的信息是奇偶校验位。每一行的额外字节的每一个位都代表了该行每个字节的那个特定位的奇偶性。也就是说，P[1][0]是D[1.1][0] D[1.2][0] D[1.3][0] .... D[1.N][0]的奇偶校验位。那么对于多出来的一行，则取正上方位的奇偶性。即P[R+1.0][0]是D[0.0][0]、D[1.0][0] D[2.0][0] D[N.0][0]的奇偶性。如下该矩阵的示意图所示。

数据和多余的位通过链路传输。另一方面，检查矩阵是否存在奇偶校验错误。如果数据的任何一位是错误的值，则将通过行和列对其进行标记和标识。然后可以通过简单的反转来纠正此位。根据错误发生的位置，可以纠正多个错误，或者它们可能引起混淆并阻止其他错误的纠正。

这种方法被称为简单奇偶校验矩阵，并且是FEC的第一种类型。它是大多数FEC方法的基本构建块。尽管此示例很简单，但确实有局限性。已经针对恶劣的环境或肮脏的渠道开发了一些FEC方法，例如Viterbi，ReedSoloman或Turbo产品代码。所有人都有强大的校正功能，但是校正功能需要付出一定的代价：