網絡背板設計知識

　　高速率的系統所衍生出的損耗、反射、串擾與偏斜等問題，為解決當前的背板困境，我們必須先解決信號完整性問題，信號完整性問題會在數據速率達3Gbps到10Gbps的范圍內造成像表層效應、電介值損耗、反射、串擾、符號間干擾(Inter-Symbol Interference簡稱ISI)，以及內部對偏斜(intra-pair skew)等嚴重問題(參考附件)。將現有的I/O速度提高兩級，或是利用通用的銅纜線均衡器，都無法有效解決上述問題，因為這些技術主要是針對克服低速背板上常見的訊息信道損耗所設計的。

　　現今的工程師們必須采取一些適當的技術與設計技巧，使其在數據速率接近10Gbps時，仍能達到可接受的誤碼率(Bit Error Rates, BER)。其中，最有效的應該是稱為脈沖振幅調變(Pulse Amplitude Modulation, PAM)的多準位信號技術，以及我們熟知的判斷反饋均衡器(Decision Feedback Equalization，DFE)自適應均衡技術。

　　OEM廠商所面對的另一個問題，是要確定該在為其現有的背板上采用何種強化技術。是要制作一種客制化的ASIC(特殊應用集成電路)，或是用現成的ASSP(特殊應用標準產品)就能滿足設計呢?答案將取決于相關的經濟規模以及系統的特性和規格。

　　訊息信道損害(Channel Impairments)

　　背板是由許多不同組件組成的復雜環境，目前已經對超過5Gbps以上的信號速率產生了重大挑戰。如圖1所示，其信號路徑包含了超過11種的不同組件，每一顆組件均各自擁有其阻抗變化。此外，在信號路徑中還有超過10個的過孔，每一個過孔都同時具有貫穿(through)與殘段(stub)成份，這導致了額外的電位阻抗不連續性與諧振極點。其結果是此環境中的訊息信道傳輸函數的變化會非常顯著。當奈奎斯特(Nyquist)頻率低于2GHz時，盡管訊息信道存在著一些差異，但過孔與阻抗不連續性(反射)的現象卻不是很明顯。在2GHz以上時，根據信號層(以及過孔的貫穿/殘段比率)、走線長度，以及電介值材料的不同，各訊息信道將呈現出很大的差異。要在這種訊息信道特性變化極大的環境中實現高速數據速率，對高速串行連接而言是非常大的挑戰。

　　圖1：一個標準的背板系統

　　其中的每一個主動與背動組件都提出了不同的信號挑戰。此外，還必須考慮到制造時的變化。

　　在高頻背板中，兩種更具破壞性的訊息信道損害是符號間干擾(ISI)與反射。它們都各自有其來源及效應，然而，自適應均衡技術的創新應用將同時克服這兩種不良效應。

　　符號間干擾(Inter-symbol interference)

　　訊息信道的其中一種顯著效應就是會在鄰近符號間引發ISI的單位元響應‘擴展’ 。當在頻域中考慮ISI時，背板訊息信道的表現就像一個低通濾波器，此處的高頻組件會呈現衰減，而低頻信號則不受影響。(見圖2)

　　圖2

　　(a) – 背板S21曲線;其表現就像一個低通濾波器。

　　(b) – 反向頻率均衡器S21曲線;其表現就像一個高通濾波器;

　　透過分析訊息信道的單位元響應，我們可以在時域中觀察ISI。圖3展示了在簡單的101數據模式中從有損號的訊息信道至接收器的傳輸所出現的ISI破壞性效應。錯誤的結果是由來自藍波形的‘前體(pre-cursor)’ISI，加上來算綠波形的‘后體(post-cursor)’ISI所歸納出的，其總和會產生一個明顯高于0/1電壓閥值的‘0’位電壓。

　　圖3

　　在輸入到訊息信道(黑色)，以及輸出到訊息信道(紅色)時，一個無均衡的簡單101數據模式。

　　其輸出情況是分別會輸出到兩個分離的單位元響應(綠色、藍色)，顯示出ISI是如何感應到錯誤的發生。

　　消除I SI的最常用方法是反向頻率均衡。在背板鏈接環境中，主要的挑戰是如何在極高性能與極低的面積和功率開銷條件下進行有效的均衡。傳送均衡(通常稱為預強調(pre-emphasis)或解強調(de-emphasis))是一種簡單的方法，通常能有效地消除由發散所引起的ISI。在傳送均衡中，低頻會對應奈奎斯特頻率信號逐步衰減，因此能讓整個系統的響應變得平坦，并消除ISI(見圖2與圖4)。

　　在此必須注意，在均衡情況中，輸出擺動并沒有增加，為了獲得公平的比較，系統會維持其恒定的峰值功率約束。盡管單位元的高度較低，但透過傳送均衡來消除ISI仍能有效地提升訊息噪音比(SNR)。