2 插入損耗和均衡

為了理解均衡，首先討論插入損耗會(huì)有所幫助。電磁波的物理性質(zhì)在高頻下會(huì)變得復(fù)雜。電磁波在通過(guò)有損耗介質(zhì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)衰減，但衰減量（稱為插入損耗）同時(shí)取決于介質(zhì)的特性和波的頻率。高頻數(shù)據(jù)信號(hào)必須包含重要的高頻分量。例如，在通過(guò)銅線或布線時(shí)，高頻分量可能比低頻分量發(fā)生更多的衰減，從而導(dǎo)致頻譜不平衡，導(dǎo)致時(shí)域中的信號(hào)形狀失真。

圖 2-1 展示了長(zhǎng)度為 5 英寸的 FR4 布線仿真模型的插入損耗示例：損耗從直流時(shí)為 0dB 開(kāi)始，隨著頻率的增加而穩(wěn)定增大。

圖 2-1 5 英寸 FR4 布線的插入損耗示例

這種失真的主要特征之一是一種稱為符號(hào)間干擾 (ISI) 的現(xiàn)象。通常情況下，信號(hào)邊沿和急劇、快速轉(zhuǎn)換由高頻分量形成。當(dāng)這些信號(hào)在一個(gè)符號(hào)序列中發(fā)生性能下降時(shí)，符號(hào)開(kāi)始相互滲透，導(dǎo)致信號(hào)成形中的顯著失真。如果接收器采樣這些衰減的符號(hào)并且如果嚴(yán)重程度足以使得接收器根本無(wú)法理解輸入，這可能會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)誤 — 眼圖可能會(huì)顯示閉上的眼睛、只開(kāi)了一道沒(méi)有意義的縫隙來(lái)區(qū)分和解釋信號(hào)，如圖 2-2 所示。

圖 2-2 ISI 嚴(yán)重的信號(hào)的眼圖

通常，通過(guò)延長(zhǎng)長(zhǎng)度或增加數(shù)據(jù)速率來(lái)增加信號(hào)發(fā)送器和接收器之間的損耗會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量越來(lái)越低，直到出現(xiàn)某些無(wú)法保持可靠、無(wú)差錯(cuò)運(yùn)行的限值為止。

由于數(shù)據(jù)通道中的損耗量是一個(gè)重要因素，因此必須能夠方便地在系統(tǒng)級(jí)別測(cè)量或量化損耗。在信號(hào)完整性領(lǐng)域，元件的損耗通常是根據(jù)特定奈奎斯特頻率下的特定 dB 插入損耗來(lái)測(cè)量的，該頻率是符號(hào)速率的一半。原因是對(duì)于特定速率下的 PRBS 數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)（超過(guò) 90%）信號(hào)能量集中在奈奎斯特頻率或以下，因此，可將奈奎斯特頻率用作必須認(rèn)真考慮衰減問(wèn)題的區(qū)域的上限。高于奈奎斯特頻率的衰減仍會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生負(fù)面影響，但影響的程度較小。

在 PCIe 中，PCIe Gen 5（32GT/s 數(shù)據(jù)傳輸速率）的奈奎斯特頻率為 32GHz ÷ 2 = 16GHz。對(duì)于 Gen 4（16GT/s 數(shù)據(jù)傳輸速率）為 16GHz ÷ 2 = 8GHz。信號(hào)路徑上元件在 16GHz 下的插入損耗數(shù)據(jù)示例為 -4dB，這意味著 16GHz 純正弦波在通過(guò)元件后衰減了 4dB，該信息與 PCIe Gen 5 操作密切相關(guān)。對(duì)于諸如 PCIe 之類的差分協(xié)議，插入損耗可通過(guò)雙端口 S 參數(shù) S[D2, D1] 差模到差模增益計(jì)算得出。

雖然這種損耗引起的信號(hào)衰減對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言可能是一個(gè)主要問(wèn)題，但這種衰減是可以修復(fù)的。理論上，頻率響應(yīng)為所施加損耗的數(shù)學(xué)倒數(shù)的元件能夠恢復(fù)原始信號(hào)。損耗和元件的級(jí)聯(lián)響應(yīng)可以在所有頻率上保持一致，從而保留原始信號(hào)的特性。這就是均衡的基本思想：有源器件可以執(zhí)行頻率選擇性放大以抵消頻率選擇性損耗的影響。

圖 2-3 顯示了 DS320PR810 PCIe Gen 5 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的 EQ 增強(qiáng)：正幅度和正斜率高達(dá)并超過(guò) 16GHz 意味著此類頻率存在增益或放大，并且較強(qiáng)的 EQ 設(shè)置會(huì)增加斜率以補(bǔ)償更多損耗。

圖 2-3 DS320PR810 的 EQ 增強(qiáng)曲線

在實(shí)踐中，這種恢復(fù)不可能完全完美，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的介質(zhì)和實(shí)際有源器件的行為都可能不理想。因此，均衡可補(bǔ)償 插入損耗。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)與原始預(yù)衰減信號(hào)可能存在一些不可避免的頻譜和成形差異，但成功補(bǔ)償會(huì)產(chǎn)生一個(gè)張開(kāi)的眼圖，表明信號(hào)接收器可以無(wú)錯(cuò)誤地解讀信號(hào)。

圖 2-4 顯示了通過(guò)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器后來(lái)自 圖 2-2 的相同信號(hào)。

圖 2-4 通過(guò)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器校正 ISI

因此，均衡是一種可恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng) PCIe 鏈路的強(qiáng)大工具。