高速电路工程师的三大法宝：差分信号、时钟数据恢复、均衡

电磁兼容之家

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第2239期

差分信号

（Differential signal)

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等、相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。差分信号又称差模信号，是相对共模信号而言的。  

   

 

 

我们用一个方法对差分信号做一下比喻，差分信号就好比是跷跷板上的两个人，当一个人被跷上去的时候，另一个人被跷下来了 —— 但是他们的平均位置是不变的。继续跷跷板的类推，正值可以表示左边的人比右边的人高，而负值表示右边的人比左边的人高。0表示两个人都是同一水平。应用到电学上，这两个跷跷板用一对标识为V+和V-的导线来表示。  

 

特点

   

从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里，"系统地"被用作电压基准点。当'地'当作电压测量基准时，这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。 另一方面，一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要，这两个电压的平均值还是会经常保持一致。
   

       

可以想象，这两个导体上被同时加入的一个相等的电压，也就是所谓共模信号，对一个差分放大系统来说是没有作用的，也就是说，尽管一个差分放大器的输入有效信号幅度只需要几毫伏，但它却可以对一个高达几伏特的共模信号无动于衷。这个指标叫做差分放大器的共模抑制比（CMRR），一般的运算放大器可以达到90db以上，高精度运放甚至达到120db。因为干扰信号一般是以共模信号的形式存在，所以差分信号的应用极大地提高了放大器系统的信噪比。      

     

优点

   

1. 抗干扰能力强：干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而其差值为0，即噪声对信号的逻辑意义不产生影响。
   
2. 能有效抑制电磁干扰（EMI）：由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。
3. 时序定位准确：差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑0/1跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。

   

缺点

   

若电路板的面积非常紧张，单端信号可以只有一根信号线，地线走地平面，而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小，以至于只能穿过一根走线的情况下。
   

     

时钟数据恢复      

（CDR：clock data recovery）      

 

时钟恢复作为高速串行通信必须具有的核心功能得到越来越广泛的应用，在以太网、PCI-Express、Aurora中都有时钟恢复模块。相对的，传统的时钟与数据同时传输的并行传输方式无法达到1Gb/s以上带宽。
 

 

简单的来说，所谓时钟恢复就是：根据参考时钟，从数据信号把时钟信号提取出来。相对应的，在信道上只传输串行数据，在信道上并没有时钟信号。数据接收端接收串行数据并进行时钟恢复。  

 

SERDES中，时钟数据恢复的基础。通常CDR协议运行在较高的数据速率和较长的传送距离，因此带来很大的设计挑战。  

       

在SERDES（Serializer-Deserializer）应用中，顾名思义，CDR接收器必须从数据中恢复嵌入的时钟。更准确地说，是从数据信号的交换中获取时钟。      

       

CDR发送器首先串行发送数据，然后将数据转换成8b/10b编码方案。编码处理获得8位数据并将其转换成10位符号。8b/10b编码方式可以在数据线上传送相等数目的0和1，从而减少码间干扰，并提供足够多的数据边沿，以便接收器在收到的数据流上锁定相位。发送器将系统时钟倍频至传送比特率，并以该速率在TX差分对上发送8b/10b数据。      

       

CDR接收器的任务首先是在RX差分位流上锁定相位，然后接收器按照恢复的时钟进行数据位对齐，接着用接收器的参考时钟进行字对齐。最后，将数据进行8b/10b解码，供系统使用。      

       

在CDR系统中，发送和接收系统通常拥有完全独立的系统时钟。这两个时钟在一个特定的变化范围内非常关键，这个范围大约是数百个PPM。      

     

CDR电路与抖动

 

CDR接口的主要设计挑战是抖动，即实际数据传送位置相对于所期望位置的偏移。总抖动(TJ)由确定性抖动和随机抖动组成。大多数抖动是确定的，其分量包括码间干扰、串扰、占空失真和周期抖动（例如来自开关电源的干扰）。而通常随机抖动是半导体发热问题的副产品，且很难预测。
 

       

传送参考时钟、传送PLL、串化器和高速输出缓冲器都对会传送抖动造成影响。对于给定的比特周期或者数据眼，传送抖动通常用单位间隔的百分比或UI（单位间隔）来说明。例如，.2 UI的传送抖动表示抖动由比特周期的20%组成。对于传送抖动而言，UI数值越低越好，因为它们代表较少的抖动。      

       

同样地，CDR接收器将指定在给定比特率时所能容忍的最大抖动量。典型的比特误码率（BET）标准是1e-12。接收抖动仍然用UI来指定。较大的UI表明接收器可以容忍更多的抖动。典型的接收器规格是.8 UI，这意味着80%的比特周期可以是噪声，此时接收器将仍然能够可靠地接收数据。抖动通常用统计钟形分布来量化，该分布在其定点处有理想的边沿位置。      

信道均衡  

（Channel equalization）  

 

信道均衡（Channel equalization）是指为了提高衰落信道中的通信系统的传输性能而采取的一种抗衰落措施。它主要是为了消除或者是减弱宽带通信时的多径时延带来的码间串扰（ISI）问题。  

 

其机理是对信道或整个传输系统特性进行补偿，针对信道恒参或变参特性，数据速率大小不同，均衡有多种结构方式。大体上分为两大类：线性与非线性均衡。线性均衡器和非线性均衡器的主要差别在于自适应均衡器的输出被用于反馈控制的方法。对于带通信道的均衡较为困难，一般都是待接收端解调后在基带进行均衡，因此基带均衡技术有广泛应用。  

   

在实际中一般是加入自适应滤波器来实现信道均衡。使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决器得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的状态，从而有更好的失真补偿性能。  

来源：电磁兼容之家