标签: 预加重

      PCI-E标准自从推出以来，1代和2代标准已经在PC和Server上逐渐普及，用于满足高速显卡、高速存储设备对于高速数据传输的要求。出于支持更高总线数据吞吐率的目的，PCI-SIG组织在2010年制定了PCI-E 3.0，即PCI-E 3代的规范，数据速率达到8Gbps。目前，PCI-E 3.0已经在Server和PC上广泛应用，而下一代PCIE4.0的推出也是指日可待。         那么PCI-E 3.0总线究竟有什么特点？对于其测试有什么特殊的地方呢？我们这里就来探讨一下。         制定PCI-E 3代规范的目的主要是要在现有的廉价的FR4板材和接插件的基础上提供比PCI-E 2代高一倍的有效数据传输速率，同时保持和原有1代、2代设备的兼容。别看这是个简单的目的，但实现起来可不容易。         我们知道，PCI-E  2代在每对差分线上的数据传输速率是5Gbps，相对于1代数据速率的两倍；而PCI-E 3代要相对于2代把速率也提高一倍，理所当然的是把数据传输速率提高到10Gbps。但是就是这个10Gbps带来了很大的问题，因为PC和Server上出于成本的考虑，普遍使用便宜的FR4的PCB板材以及廉价的接插件，如果不更换板材和接插件，很难保证10Gbps的信号还能在原来的信号路径上可靠地传输很远的距离（典型距离是15～30cm）。因此PCI-SIG最终决定把PCI-E 3代的数据传输速率定在8Gbps。但是8Gbps比着2代的5Gbps并没有高一倍，所以PCI-E协会决定在3代标准中把在1代和2代中使用的8b/10b编码去掉。         我们知道，在PCI-E 1代和2代中为了保证数据的传输密度、直流平衡以及内嵌时钟的目的，会把8bit数据会编码成10bit数据传输。因此，5Gbps的实际有效数据传输速率是5Gbps×8b/10b＝4Gbps。这样，如果在PCI-E 3代中如果不使用8b/10b编码，其有效数据传输速率就能比 2代的4Gbps提高1倍。但是这样问题又来了，数据如果不经编码传输很难保证数据传输密度和直流平衡，接收端的时钟恢复电路也很容易失锁。为了解决这个问题，PCI-E 3代里面采用了扰码的方法，即数据传输前先和一个多项式进行异或，这样传输链路上的数据就看起来就比较有随机性，到了接收端再用相同的多项式把数据恢复出来。         通过上述方法，PCI-E 3代就可以用8Gbps的传输速率实现比2代的5Gbps高1倍的数据传输速率。实际应用中PCI-E 3代的总线上也仍然有数据编码，不过采用的是128b/130b的编码，编码效率很高，由此损失的总线有效带宽比8b/10b编码小多了。   PCI-E 3.0 发送及接收端的变化       但是问题远没有结束，即使数据速率只有8Gbps，要在原有的廉价PCB和接插件上实现可靠传输也还要解决一些新的问题。其中最大的问题是信号的损耗，FR4板材对信号高频成分有很大衰减，而信号速率越高，其高频成分越多，所以衰减也就更厉害。下图是不同速率的信号经过10英寸的FR4板材的PCB传输以后信号的眼图，我们可以看到8Gbps的信号在接收端基本上看不到眼图了，更不要说进行有效的数据接收。         为了解决这个问题，在PCI-E的1代和2代中使用了去加重（De-emphasis）技术，即信号的发射端（TX）在发送信号时对跳变bit（代表信号中的高频成分）加大幅度发送，这样可以部分补偿一下传输线路对高频成分的衰减，从而得到比较好的眼图。PCI-E 1代中采用了-3.5db的去加重，PCI-E 2代中采用了-3.5db和-6db的去加重。而对于3代来说，由于信号速率更高，需要采用更加复杂的去加重技术，因此除了跳变bit比非跳变bit幅度增大发送以外，在跳变bit的前1个bit也要增大幅度发送，这个增大的幅度通常叫做Preshoot。下图是PCI-E 3代中采用的预加重技术对波形的影响的例子（参考资料：PCI Express® Base Specification 3.0 ）。           为了应对复杂的链路环境，PCI-E 3代中规定了共11种不同的Preshoot和De-emphasis的组合，每种组合叫做一个Preset，实际应用中Tx和Rx端可以在Link Training阶段根据接收端收到的信号质量协商出一个最优的Preset值。下图是11种Preset的组合（参考资料：PCI Express® Base Specification 3.0）。比如P4代表没有任何预加重，P7代表最厉害的预加重。          那做了这些工作就够了吗？经过实验发现，仅仅在发送端对信号高频进行补偿还是不够，于是PCI-E 3代标准中又规定在接收端（RX端）还要对信号做均衡（Equalization），从而对线路的损耗进行进一步的补偿。均衡电路的实现难度较大，以前主要用在通信设备的背板或长电缆传输的场合，现在也逐渐开始在计算机领域应用，比如USB3.0中和SATA 6G中也采用了均衡技术。下图是PCI-E 3.0里对均衡器的频响特性的要求。我们可以看到均衡器的强弱也有很多档可选，在Link Training阶段TX和RX端会协商出一个最佳的组合（参考资料：PCI Express® Base Specification 3.0）。           经过各种信号处理技术的结合以及大量的实验，PCI-E 3.0总算初步实现了在现有的FR4板材和接插件的基础上提供比PCI-E 2代高一倍的有效数据传输速率。但我们同时也看到，PCI-E 3代的芯片会变得更加复杂，系统设计的难度也也更大。如何保证PCI-E 3代总线工作的可靠性和很好的兼容性，就成为设计和测试人员面临的严峻挑战。

      在发送端的芯片里，最简单的去加重实现方法是把输出信号延时一个或多个比特后乘以一个加权系数并和原信号相加。如下图所示：       做完预加重或者去加重的信号，如果在信号的发送端（TX）直接观察，并不是理想的眼图。如下图所示是在发送端看到的一个带-3.5dB预加重的10Gbps的信号眼图，从中可以看到有明显的“双眼皮”现象。         如果预加重的设置和传输通道造成的损耗近似匹配，这样的信号虽然在发送端看起来眼图质量不理想，但是经过传输通道传输到达接收短后，看到的信号眼图还是不错的。这是由于信号经过PCB或电缆传输以后，高频分量会衰减，跳变bit的幅度衰减会比非跳变bit大很多。因此通常在信号的接收端（RX）是看不到前面图中明显的预加重或去加重效果的，而是改善后的眼图。因此从本质上说，预加重或去加重也属于一种信号的预失真技术。            另外需要注意的一点是，预加重或者去加重的参数设置需要和该信号传输通道的损耗特性相匹配才能得到比较好的信号改善效果。下面的几张图反映的是一个10Gbps的信号通过一根普通的5m长的SMA电缆传输以后的眼图。上图是在发送端没有进行任何信号处理时在接收端看到的信号眼图，可以看出信号经传输后已经有比较大的恶化；中图是在发送端进行了-3.5dB的去加重后在接收端看到的眼图，可以看到通过去加重虽然眼图的幅度减小了（低频分量被压缩），但是整体的眼图张开程度反而更大了（眼高增加），这是个合适的去加重设置；下图是在发送端进行了-6dB的去加重后在接收端看到的眼图，由于去加重补偿有点过头，眼图中出现明显的过冲，眼图张开度的改善情况反而不如使用-3.5dB去加重的时候。在这种情况下如果继续增加去加重的幅度，得到的眼图可能甚至会比不使用去加重技术时更加恶劣。    

    既然传输通道的ISI的影响可以通过事先对传输通道的特性进行精确测量而预测出来，那么就有可能对其进行修正。发送端的预加重和接收端的均衡电路就是两种最常见的对通道传输的影响进行补偿的方法。传输通道最明显的影响是其低通的特性，即会对高频信号进行比较大的衰减。对于一个方波信号来说，其高次谐波对于信号形状的影响很大，如果所有高次谐波全部被衰减掉了，方波看起来就象个正弦波了。       预加重（Pre-emphasis）是一种在发送端事先对发送信号的高频分量进行补偿的方法。这种方法是增大信号跳变边沿后第一个bit（跳变bit）的幅度（预加重）。比如对于一个00111的序列来说，做完预加重后序列里第一个1的幅度会比第二个和第三个1的幅度大。由于跳变bit代表了信号里的高频分量，所以这种方法有助于提高发送信号里的高频分量。在实际实现时，有时并不是增加跳变bit的幅度，而是相应减小非跳变bit的幅度，这种方法有时又叫去加重（De-emphasis）。         对于预加重技术来说，其对信号改善的效果取决于其预加重的幅度的大小，预加重的幅度是指经过预加重后跳变比特相对于非跳变比特幅度的变化。预加重幅度的计算公式如图2.30所示。数字总线中经常使用的预加重有3.5dB、6dB、9.5dB等。对于6dB的预加重来说，相当于在发送端看，跳变比特的电压幅度是非跳变比特电压幅度的2倍。       简单的预加重对信号的频谱改善并不是完美的，比如其频率响应曲线并不一定和实际的传输通道的损耗曲线相匹配，所以高速率的总线会采用阶数更高、更复杂的预加重技术。如下图所示是一个3阶的预加重，其除了对跳变沿后面的第1个比特进行预加重处理外，跳变沿之后的第2个比特的幅度也有变化。跳变沿后第1个比特的幅度变化有时也叫Post Cursor1，跳变沿后的第2个比特的幅度变化有时也叫Post Cursor2。有些总线如PCI-E3.0，会对跳变沿前面的1个比特的幅度也进行调整，叫做Pre Cursor1，有时也称为PreShoot。       由于真正的预加重电路在实现的时候需要有相应的放大电路来增加跳变比特的幅度，电路比较复杂而且增加系统功耗，所以在实际应用时更多采用的是去加重的方式（De-Emphasis）。去加重技术不是增大跳变比特的幅度，而是减小非跳变比特的幅度，从而得到和预加重类似的信号波形。下图是对一个10Gbps的信号进行-3.5dB的去加重后对频谱的影响。可以看到，去加重主要是通过压缩信号的直流和低频分量（长0或者长1的比特流），从而改善其在传输过程中可能造成的对短的0或者短1比特的影响。       最简单的去加重实现方法是把输出信号延时一个或多个比特后乘以一个加权系数并和原信号相加。去加重方法实际上压缩了信号直流电平的幅度，去加重的比例越大，信号直流电平被压缩得越厉害，因此去加重的幅度在实际应用中一般很少超过-9.5dB，极端情况下也就用到-12db左右。

      预加重和均衡是高速信号设计中提高信号质量的常用方法。       预加重是指在信号发送前对其进行预扭曲，以使接收器上的信号质量如同原始发送的质量。当信号在直流电平上保持超过一个比特的时间时，预加重就会抬高高频分量而降低低频分量。       常见的信号均衡技术有3种：CTLE（continuous time linear equalizer )，FFE（feed forward equalization）和DFE（decision feedback equalizer）。       CTLE是在接收端提供一个带通滤波器，这个带通滤波器可以对信号里的主要高频分量进行放大，这点和发送端的预加重技术带来的效果是类似的。       FFE则是根据相邻bit的电压幅度的加权值来进行幅度的修正，每个相邻bit的加权系数直接和通道的冲击响应有关。CTLE和FFE都是线性均衡技术，而DFE则是非线性均衡技术。       DFE技术是通过相邻bit的判决电平对当前bit的判决阈值进行修正，设计合理的DFE可以有效补偿ISI对信号造成的影响。但是DFE正确工作的前提是相邻bit的0/1电平是判决正确的，所以对于信号的信噪比有一定要求。一般情况下是先用CTLE或FFE来把信号眼图打开，然后再用DFE进一步优化。

      既然传输通道的ISI的影响可以通过事先对传输通道的特性进行精确测量而预测出来，那么就有可能对其进行修正。发送端的预加重和接收端的均衡电路就是两种最常见的对通道传输的影响进行补偿的方法。传输通道最明显的影响是其低通的特性，即会对高频信号进行比较大的衰减。对于一个方波信号来说，其高次谐波对于信号形状的影响很大，如果所有高次谐波全部被衰减掉了，方波看起来就象个正弦波了。         预加重（Pre-emphasis）是一种在发送端事先对发送信号的高频分量进行补偿的方法。这种方法是增大信号跳变边沿后第一个bit（跳变bit）的幅度（预加重）。比如对于一个00111的序列来说，做完预加重后序列里第一个1的幅度会比第二个和第三个1的幅度大。由于跳变bit代表了信号里的高频分量，所以这种方法有助于提高发送信号里的高频分量。在实际实现时，有时并不是增加跳变bit的幅度，而是相应减小非跳变bit的幅度，这种方法有时又叫去加重（De-emphasis）。         当信号速率进一步提高或者传输距离较长时，仅仅使用发送端的预加重技术已不能充分补偿传输通道带来的损耗，这时就需要在接收端同时使用均衡技术来提高信号质量以保证正确的0/1判决。常见的信号均衡技术有3种：CTLE（continuous time linear equalizer )，FFE（feed forward equalization）和DFE（decision feedback equalizer）。       CTLE是在接收端提供一个带通滤波器，这个带通滤波器可以对信号里的主要高频分量进行放大，这点和发送端的预加重技术带来的效果是类似的。FFE则是根据相邻bit的电压幅度的加权值来进行幅度的修正，每个相邻bit的加权系数直接和通道的冲击响应有关。CTLE和FFE都是线性均衡技术，而DFE则是非线性均衡技术。DFE技术是通过相邻bit的判决电平对当前bit的判决阈值进行修正，设计合理的DFE可以有效补偿ISI对信号造成的影响。但是DFE正确工作的前提是相邻bit的0/1电平是判决正确的，所以对于信号的信噪比有一定要求。一般情况下是先用CTLE或FFE来把信号眼图打开，然后再用DFE进一步优化。        这张图显示了均衡技术对信号的改善，实际上如果均衡方法和均衡器系数设置合适，信号的眼图质量可能会得到很大的改善。