為什麼高速數據通道需要重定時器?

2021-01-07 EDN電子設計技術

六零年代，隨著電信數字載波系統T1和E1的出現，數字重定時器開始受到關注。這些系統在屏蔽雙絞線上承載多條語音電路信道，每隔幾千英尺需安裝一個數字重定時器。當時這些設備比較先進，它們採用的技術與現在的高速重定時器類似，包括均衡、時鐘數據恢復（CDR）、線路編碼和成幀。mykednc

對於每一種串行器/解串器（SerDes），總有應用需要更長的連接距離。轉接驅動器或重定時器晶片的典型應用包括：mykednc

到達大型PCB的最遠端 使用額外的連接器 支持子卡 連接擴展架 使用低端PCB材料 允許擁有較短距SerDes的晶片支持需要較長距離SerDes的應用 增強設備功能轉接驅動器和重定時器的比較

典型的轉接驅動器數據通路包含連續時間線性均衡器（CTLE）、可變增益放大器（VGA）和線性驅動器。CTLE用於均衡信道中由頻率引起的損耗，VGA用於恢復信號幅度，線性驅動器則以適合的阻抗驅動信道。mykednc

轉接驅動器通常提供輸入信號損耗閾值和輸出接收器（Rx）檢測功能，同時還有一個靜噪檢測器，可以差分檢測低速信道上是否存在通信信號。圖1給出了典型的轉接驅動器的功能框圖。mykednc

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圖1：典型的轉接驅動器功能框圖，包括一個CTLE，用於均衡信道中由頻率引起的損耗；一個VGA，用於恢復信號幅度；一個線性驅動器，以合適的阻抗驅動信道。mykednc

模擬轉接驅動器的局限

模擬轉接驅動器有三個主要缺點：mykednc

1.  轉接驅動器會放大信號及其內部噪聲。發送器通過不可靠信道發送高信噪比（SNR）信號，轉接驅動器中的CTLE和放大器都具有本底噪聲，當信號被放大時，這兩種本底噪聲會隨著信號一起增強。當接收器恢復數據時，必須與放大的噪聲抗衡，這減弱了轉接驅動器所具備的優勢。mykednc

2.  轉接驅動器僅清除部分碼間幹擾（ISI）。通帶中與信道頻率相關的損耗會在多個位時間內對位產生幹擾。CTLE可以均衡一部分ISI，但是CTLE永遠無法精確配置以完全糾正所有ISI，而不均衡的通帶紋波又會留下ISI。最後接收器不得不與這些殘留的ISI抗衡。mykednc

3.  轉接驅動器無法恢復眼寬和相關抖動。接收器具有良好的眼寬對於實現無差錯性至關重要。但很多因素都會降低眼寬，例如熱噪聲、偏移、模擬失調、上升/下降時間不匹配、終端失配、ISI和電源噪聲等。而轉接驅動器的存在進一步加劇了這些因素的不良影響，使信號恢復更具挑戰性。mykednc

因此，轉接驅動器之前和之後的完整鏈路長度不能得到利用，每個位置都必須採用較短的走線，以最大程度地降低附加噪聲、殘留ISI和狹窄眼寬造成的影響。由於這些問題，在所有可能的應用中，系統開發人員都將承受巨大壓力，以了解和表徵轉接驅動器對最終系統的複雜影響。mykednc

重定時器如何工作

典型的重定時器是一種混合信號模擬/數字器件，它具備協議感知能力，能夠提取嵌入式時鐘，完全恢復數據，並使用乾淨的時鐘重新傳輸新的數據副本。轉接驅動器中包含了CTLE、VGA和驅動級，而重定時器中則包含CDR電路、長尾均衡器（LTE）和判決反饋均衡器（DFE）。mykednc

LTE用於補償長期脈衝響應受損，DFE則作為非線性均衡器，抑制由高頻損耗和陷波之類的信道缺陷而導致的ISI。mykednc

另外，內部數字邏輯、狀態機和/或微控制器用於管理CTLE、VGA、LTE和DFE塊的自動適配，並實現協議鏈路訓練和狀態更新。圖2給出了典型的重定時器功能框圖。mykednc

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圖2：轉接驅動器中包含CTLE、VGA和驅動級，典型的重定時器則包含CDR電路、LTE和DFE。mykednc

簡而言之，轉接驅動器僅放大信號，而重定時器則可完全恢復數據並發送全新的數據副本。圖3對此進行了圖形表述，顯示了被衰減的眼開放（eye opening）如何被轉接驅動器增強，以及如何由重定時器完全重新生成。mykednc

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圖3：經信道衰減的眼圖（左）、通過轉接驅動器後的眼圖（中）和通過重定時器後的眼圖（右），顯示出轉接驅動器對信號的增強，以及重定時器對信號的重新生成。mykednc

重定時器必須具備協議感知能力，才能實現信號的重新生成。它監視鏈路配置事務，並將自身設置為正確的模式。在某些情況下，重定時器也會參與鏈路設置。由於採用了這些自動步驟，因而無需手動調整具體的信道、線纜和波形因數，以更高數據速率進行系統集成也變得更加簡單。mykednc

符合高速接口規範的重定時器

業界近日頒布了一系列較難實現的高速SerDes規範，包括USB4、PCIe5.0、CEI-28G和CEI-56G規範，以及仍在開發階段的PCI6.0和CEI-112G規範。這些新標準旨在滿足不斷提高的數據吞吐量需求。mykednc

二十多年來，光互聯論壇（OIF）和IEEE 802.3乙太網委員會已聯合發布了八代SerDes及前期規範。針對每一代SerDes規範，供應商都開發出了兼容多種協議的比特級重定時器產品，促進了系統製造商的產品開發。mykednc

這些SerDes技術和相應的重定時器已被採用並產生了廣泛的影響，其應用領域包括電信、乙太網、Interlaken、RapidIO、串行高級技術附件（SATA）、串行連接小型計算機系統接口SAS、光纖通道、InfiniBand，以及眾多專有系統。但轉接驅動器晶片在OIF/乙太網系列生態系統中從未得到廣泛應用，這是由於鏈路的設計通常更精細，耗盡了鏈路資源。mykednc

PCI Express（PCIe）是一種高速串行計算機擴展總線標準。它是個人計算機圖形卡、硬碟驅動器、SSD、Wi-Fi和乙太網硬體連接的標準主板接口。轉接驅動器可以完全滿足PCIe3.0規範，數據速率達8Gbps/通道。而PCIe4.0將速率提高了一倍，達到16Gbps/通道，轉接驅動器也盡力滿足其速率要求，為系統實施者帶來了好處。mykednc

2019年5月，PCI-SIG標準機構正式發布了PCIe5.0規範，其數據通道運行速率高達32Gbps。速率不斷提高，對擴展能力的需求也不斷增加，PCIe轉接驅動器的發展似乎已經到頭。在即將推出的PCIe6.0標準中，PAM4的脆弱甚至使設計者放棄採用轉接驅動器。mykednc

再來看通用串行總線（USB），它是計算機、外圍設備和其他計算機之間的行業接口標準。USB1.0於1996年發布，USB2.0隨後於2000年發布。即便USB-IF未將轉接驅動器標準化，但轉接驅動器在擴展連接和電壓兼容性方面所具有的優勢仍使其不可或缺。mykednc

2010年，隨著USB3.0的發布，USB的信號完整性問題變得更加明顯，這推動了轉接驅動器產品投放市場，以便擴展Superspeed 5Gbps鏈路連接。USB3.1和Superspeed+10Gbps鏈路延續了這一趨勢。USB3.2規範通過USB-C連接器將USB3.0中的單通道模式擴展為雙通道，進一步促進了轉接驅動器的應用。mykednc

USB-IF於2019年8月正式發布了USB4規範，將鏈路性能進一步提高到了20Gbps/通道（雙通道達到40Gbps）。20Gbps信號較之前脆弱很多，更容易受到ISI、通帶紋波、抖動源、模擬失調、終端失配、對內偏移、反射、熱噪聲和電源噪聲的影響。結果，轉接驅動器應用於USB的時代又將終結。mykednc

更新的高速互連規範將推動新一代信號調節解決方案的發展。數字重定時器是在極具挑戰的信道上發送超高速數據同時保持信號完整性的關鍵因素。當速率高於10Gbps時，使用轉接驅動器將面臨許多困難，因此，業界期望推進重定時器的使用，並將其寫入了最新規範。mykednc

總而言之，諸如轉接驅動器和重定時器這類信號調節技術在許多系統環境中都非常有用。但當數據速率超過10Gbps時，轉接驅動器便不再適合許多應用。在OIF/乙太網生態系統中，重定時器已成為首選的信號調節器。在PCIe生態系統中，PCI4.0是轉接驅動器的最後一搏，重定時器則可提供更好的解決方案。在USB生態系統中，USB4是一個轉折點，此時轉接驅動器已不是系統的最好選擇；而具有協議感知能力的重定時器則實現了所需的信號完整性，提供了穩健、明確的發展線路以及低成本的系統解決方案，可以充分滿足消費者的需求。mykednc

（本文授權編譯自EDN英文網站，原文參考連結：Why is a retimer required for high-speed data channels?，由Jenny Liao編譯）mykednc

本文為《電子技術設計》2020年12月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。mykednc

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