2020年08月31日 | 使用重定时器和转接驱动器保持以太网信号完整性

本文作者：Lin Zhihong，是德州仪器（TI）接口业务的产品营销工程师。

互联网上视频和云应用的不断增加，正促使数据中心和云存储朝着400G以太网络发展，以满足带宽需求。随着数据使用量的增加，维护通信和数据中心设备中千兆以太网传输线上高速网络信号完整性的挑战也随之增加。

当信号通过PCB、连接器和电缆时，其数据传输速率可能会严重降低。这种信号失真将导致系统无法通过以太网标准符合性测试，并造成与其他网络设备的互操作性变差。设计者通常需要使用信号调节器，如转接驱动器或重定时器来保持信号质量和系统性能。

信号衰减的根本原因

信号衰减的方式因传输介质而异，包括PCB、铜缆或光缆、信号线上的无源元件和连接器。信号在时域和频域都会失真。

信号衰减最常见的原因是插入损耗，即数据路径中任何设备或介质的信号功率损失。图1显示了来自不同PCB轨迹的插入损耗示例。高频分量比低频分量损耗更大；更长的布线或电缆长度也是如此。

图1不同布线长度的PCB插入损耗示例。来源：德州仪器

时域中的损耗包括接收信号的幅度下降和脉冲扩展，从而导致符号间干扰（ISI），其中每个发射的脉冲都与其相邻的脉冲相互干扰。这会导致接收器的眼图闭合。图2显示了15米电缆上的信号衰减，其中信号失真与电缆长度成正比。

图2：这些图显示了15米电缆上的信号衰减，其中信号失真与电缆长度成正比。来源：德州仪器

其他因素也可能损害信号完整性：

连接器阻抗不匹配，导致信号反射。

相邻的高速信号相互干扰，导致串扰。

热噪声或其他噪声会导致随机抖动，影响占空比，并在信号上引起相位和定时误差。

信号调节解决方案

那么，如何解决高速接口的信号完整性难题呢？理想情况下，在传输介质上，所有频率分量的信号损耗应为0 dB。然而，实际上，任何传输介质都会增加信号的插入损耗。

如果信号丢失影响系统性能，信号调节器通过恢复信号强度和实现均衡频率响应，有效地帮助保持高速设计的信号完整性。

有两种类型的信号调节器：以太网转接驱动器（转接驱动器）和重定时器（Retimer）。你选择哪一个取决于衰退的严重程度。

转接驱动器

如图3所示，转接驱动器是一个模拟组件，用于通过均衡和增益调整恢复衰减的输入信号，然后根据信号标准规范重新传输信号。转接驱动器主要通过均衡来进行信号调节。它们是最简单、最具成本效益的方法，可以抵抗由符号间干扰引起的信号衰减，同时也可以克服长PCB布线和线缆带来的插入损耗。

图3 转接驱动器可以补偿高达20db的信道损耗。来源：德州仪器

仔细观察转接驱动器内部，连续时间线性均衡器（CTLE）是一种通常在转接驱动器接收端实现的电路。CTLE为高频信号提供比低频信号更多的增益，以补偿高频分量中的较大损耗。这使得均衡信号在信道上具有更均匀的频率响应。

转接驱动器的发射机可以选择包括去加重（de-emphasis）或预加重（pre-emphasis）功能，以提供信号失真以补偿信道损耗。去加重减弱信号的低频分量，而预加重则提高信号的高频分量，以实现均衡的信道响应。图4显示了转接驱动器均衡器对失真输入信号的影响。

图4：此图显示转接驱动器如何帮助打开输入眼图。来源：德州仪器

如果输出信号幅度是线性函数或与输入信号幅度成正比，则转接驱动器可以是线性转接驱动器。否则，这是一个限制性的转接驱动器。线性转接驱动器将忠实地通过信号的所有电特性，如预发射、去加重或预加重，通过CTLE增加的频率相关增益成为可能。

当系统需要使用链路训练来为每个信道建立最佳信号调节设置时，线性转接驱动器尤其有用。线性转接驱动器将通过链路训练，而不会阻塞信号波形或发射机故意造成的失真。

重定时器

如图5所示，重定时器是比转接驱动器更复杂的信号调节器，通常包括均衡功能和时钟数据恢复（CDR）功能。这些特性不仅可以补偿符号间的干扰，还可以消除随机抖动、串扰和反射。

图5重定时器可补偿高达35dB的信道损耗。来源：德州仪器

重定时器内的时钟数据恢复组件将恢复数据并提取干净的时钟。CDR可以补偿相位延迟变化和随机抖动，并消除来自输入信道的额外确定性抖动，以提供最佳的输出信号质量。图6显示了重定时器的CDR的效果。

图6重定时器CDR消除了抖动，从而使眼图更清晰。来源：德州仪器

转接驱动器通常用于补偿20dB的信道损耗。如果由于定时和相位抖动而出现更严重的信号衰退或信道损耗，则重定时器更合适，因为它可以通过去除抖动来补偿30dB到35dB的信道损耗。

在某些情况下，设计师可能会考虑使用更昂贵的PCB材料来改善信号质量，作为使用信号调节器的替代方案。这些PCB材料通常非常昂贵，而且它们只能在一定程度上解决由插入损耗引起的码间干扰。如果PCB布线很长，您仍然需要转接驱动器或重定时器来补偿额外的损失。此外，PCB材料不能解决串扰、反射、连接器或电缆的其他随机抖动，因此在此类系统中增加一个转接驱动器或重定时器将有助于消除抖动。

转接驱动器和重定时器应用

转接驱动器和重定时器通常用于千兆以太网中的数据中心交换机、网络接口卡（NIC）、有线和无线网络设备以及数据和存储服务器网络。它们可以放置在交换机专用集成电路（ASIC）和前端口之间，或者沿着中间板和背板之间的路径放置，以实现更好的信号完整性和系统性能。