模電工程師：差分信號(hào)、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)、信道均衡
[導(dǎo)讀]差分信號(hào)差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相等，相位相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。差分信號(hào)又稱差模信號(hào)，是相對(duì)共模信號(hào)而言的。?我們用一個(gè)方法對(duì)差分信號(hào)做一下比喻，差分信號(hào)就好比是蹺蹺板...
差分信號(hào)差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相等，相位相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。差分信號(hào)又稱差模信號(hào)，是相對(duì)共模信號(hào)而言的。?我們用一個(gè)方法對(duì)差分信號(hào)做一下比喻，差分信號(hào)就好比是蹺蹺板上的兩個(gè)人，當(dāng)一個(gè)人被蹺上去的時(shí)候，另一個(gè)人被蹺下來了?-?但是他們的平均位置是不變的。繼續(xù)蹺蹺板的類推，正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負(fù)值表示右邊的人比左邊的人高。0?表示兩個(gè)人都是同一水平。應(yīng)用到電學(xué)上，這兩個(gè)蹺蹺板用一對(duì)標(biāo)識(shí)為V 和V-的導(dǎo)線來表示。
特點(diǎn)從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對(duì)于另一個(gè)電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，"系統(tǒng)地"被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)'地'當(dāng)作電壓測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語是因?yàn)樾盘?hào)是用單個(gè)導(dǎo)體上的電壓來表示的。?另一方面，一個(gè)差分信號(hào)作用在兩個(gè)導(dǎo)體上。信號(hào)值是兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要，這兩個(gè)電壓的平均值還是會(huì)經(jīng)常保持一致。?可以想象，這兩個(gè)導(dǎo)體上被同時(shí)加入的一個(gè)相等的電壓，也就是所謂共模信號(hào)，對(duì)一個(gè)差分放大系統(tǒng)來說是沒有作用的，也就是說，盡管一個(gè)差分放大器的輸入有效信號(hào)幅度只需要幾毫伏，但它卻可以對(duì)一個(gè)高達(dá)幾伏特的共模信號(hào)無動(dòng)于衷。這個(gè)指標(biāo)叫做差分放大器的共模抑制比（CMRR），一般的運(yùn)算放大器可以達(dá)到90db以上，高精度運(yùn)放甚至達(dá)到120db。因?yàn)楦蓴_信號(hào)一般是以共模信號(hào)的形式存在，所以差分信號(hào)的應(yīng)用極大地提高了放大器系統(tǒng)的信噪比。?優(yōu)點(diǎn)1、抗干擾能力強(qiáng)。干擾噪聲一般會(huì)等值、同時(shí)的被加載到兩根信號(hào)線上，而其差值為0，即，噪聲對(duì)信號(hào)的邏輯意義不產(chǎn)生影響。2、能有效抑制電磁干擾（EMI）。由于兩根線靠得很近且信號(hào)幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場(chǎng)的幅值也相等，同時(shí)他們的信號(hào)極性相反，其電磁場(chǎng)將相互抵消。因此對(duì)外界的電磁干擾也小。3、時(shí)序定位準(zhǔn)確。差分信號(hào)的接受端是兩根線上的信號(hào)幅值之差發(fā)生正負(fù)跳變的點(diǎn)，作為判斷邏輯0/1跳變的點(diǎn)的。而普通單端信號(hào)以閾值電壓作為信號(hào)邏輯0/1的跳變點(diǎn)，受閾值電壓與信號(hào)幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號(hào)。?缺點(diǎn)若電路板的面積非常緊張，單端信號(hào)可以只有一根信號(hào)線，地線走地平面，而差分信號(hào)一定要走兩根等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線。這樣的情況常常發(fā)生在芯片的管腳間距很小，以至于只能穿過一根走線的情況下。
時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（?CDR:?clock?data?recovery）
時(shí)鐘恢復(fù)作為高速串行通信必須具有的核心功能得到越來越廣泛的應(yīng)用，在以太網(wǎng)、PCI-Express、Aurora中都有時(shí)鐘恢復(fù)模塊。相對(duì)的，傳統(tǒng)的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)牟⑿袀鬏敺绞綗o法達(dá)到1Gb/s以上帶寬。
簡單的來說，所謂時(shí)鐘恢復(fù)就是：根據(jù)參考時(shí)鐘，從數(shù)據(jù)信號(hào)把時(shí)鐘信號(hào)提取出來。相對(duì)應(yīng)的，在信道上只傳輸串行數(shù)據(jù)，在信道上并沒有時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)接收端接收串行數(shù)據(jù)并進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)。
SERDES中，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的基礎(chǔ)
通常CDR協(xié)議運(yùn)行在較高的數(shù)據(jù)速率和較長的傳送距離，因此帶來很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。?在SERDES(Serializer-Deserializer)應(yīng)用中，顧名思義，CDR接收器必須從數(shù)據(jù)中恢復(fù)嵌入的時(shí)鐘。更準(zhǔn)確地說，是從數(shù)據(jù)信號(hào)的交換中獲取時(shí)鐘。?CDR發(fā)送器首先串行發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8b/10b編碼方案。編碼處理獲得8位數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成10位符號(hào)。8b/10b編碼方式可以在數(shù)據(jù)線上傳送相等數(shù)目的0和1，從而減少碼間干擾，并提供足夠多的數(shù)據(jù)邊沿，以便接收器在收到的數(shù)據(jù)流上鎖定相位。發(fā)送器將系統(tǒng)時(shí)鐘倍頻至傳送比特率，并以該速率在TX差分對(duì)上發(fā)送8b/10b數(shù)據(jù)。?CDR接收器的任務(wù)首先是在RX差分位流上鎖定相位，然后接收器按照恢復(fù)的時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)位對(duì)齊，接著用接收器的參考時(shí)鐘進(jìn)行字對(duì)齊。最后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行8b/10b解碼，供系統(tǒng)使用。?在CDR系統(tǒng)中，發(fā)送和接收系統(tǒng)通常擁有完全獨(dú)立的系統(tǒng)時(shí)鐘。這兩個(gè)時(shí)鐘在一個(gè)特定的變化范圍內(nèi)非常關(guān)鍵，這個(gè)范圍大約是數(shù)百個(gè)PPM。
CDR電路與抖動(dòng)
CDR接口的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是抖動(dòng)，即實(shí)際數(shù)據(jù)傳送位置相對(duì)于所期望位置的偏移?？偠秳?dòng)(TJ)由確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)組成。大多數(shù)抖動(dòng)是確定的，其分量包括碼間干擾、串?dāng)_、占空失真和周期抖動(dòng)(例如來自開關(guān)電源的干擾)。而通常隨機(jī)抖動(dòng)是半導(dǎo)體發(fā)熱問題的副產(chǎn)品，且很難預(yù)測(cè)。?傳送參考時(shí)鐘、傳送PLL、串化器和高速輸出緩沖器都對(duì)會(huì)傳送抖動(dòng)造成影響。對(duì)于給定的比特周期或者數(shù)據(jù)眼，傳送抖動(dòng)通常用單位間隔的百分比或UI(單位間隔)來說明。例如，.2 UI的傳送抖動(dòng)表示抖動(dòng)由比特周期的20%組成。對(duì)于傳送抖動(dòng)而言，UI數(shù)值越低越好，因?yàn)樗鼈兇磔^少的抖動(dòng)。?同樣地，CDR接收器將指定在給定比特率時(shí)所能容忍的最大抖動(dòng)量。典型的比特誤碼率(BET)標(biāo)準(zhǔn)是1e-12。接收抖動(dòng)仍然用UI來指定。較大的UI表明接收器可以容忍更多的抖動(dòng)。典型的接收器規(guī)格是.8 UI，這意味著80%的比特周期可以是噪聲，此時(shí)接收器將仍然能夠可靠地接收數(shù)據(jù)。抖動(dòng)通常用統(tǒng)計(jì)鐘形分布來量化，該分布在其定點(diǎn)處有理想的邊沿位置。
信道均衡（Channel?equalization）
信道均衡（Channel equalization）是指為了提高衰落信道中的通信系統(tǒng)的傳輸性能而采取的一種抗衰落措施。它主要是為了消除或者是減弱寬帶通信時(shí)的多徑時(shí)延帶來的碼間串?dāng)_（ISI）問題。
其機(jī)理是對(duì)信道或整個(gè)傳輸系統(tǒng)特性進(jìn)行補(bǔ)償，針對(duì)信道恒參或變參特性，數(shù)據(jù)速率大小不同，均衡有多種結(jié)構(gòu)方式。大體上分為兩大類：線性與非線性均衡。線性均衡器和非線性均衡器的主要差別在于自適應(yīng)均衡器的輸出被用于反饋控制的方法。對(duì)于帶通信道的均衡較為困難，一般都是待接收端解調(diào)后在基帶進(jìn)行均衡，因此基帶均衡技術(shù)有廣泛應(yīng)用。?在實(shí)際中一般是加入自適應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)信道均衡。使用濾波器來補(bǔ)償失真的脈沖，判決器得到的解調(diào)輸出樣本，是經(jīng)過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應(yīng)均衡器直接從傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)字信號(hào)中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應(yīng)信道的隨機(jī)變化，使均衡器總是保持最佳的狀態(tài)，從而有更好的失真補(bǔ)償性能。
END
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特點(diǎn)從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對(duì)于另一個(gè)電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，"系統(tǒng)地"被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)'地'當(dāng)作電壓測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語是因?yàn)樾盘?hào)是用單個(gè)導(dǎo)體上的電壓來表示的。?另一方面，一個(gè)差分信號(hào)作用在兩個(gè)導(dǎo)體上。信號(hào)值是兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要，這兩個(gè)電壓的平均值還是會(huì)經(jīng)常保持一致。?可以想象，這兩個(gè)導(dǎo)體上被同時(shí)加入的一個(gè)相等的電壓，也就是所謂共模信號(hào)，對(duì)一個(gè)差分放大系統(tǒng)來說是沒有作用的，也就是說，盡管一個(gè)差分放大器的輸入有效信號(hào)幅度只需要幾毫伏，但它卻可以對(duì)一個(gè)高達(dá)幾伏特的共模信號(hào)無動(dòng)于衷。這個(gè)指標(biāo)叫做差分放大器的共模抑制比（CMRR），一般的運(yùn)算放大器可以達(dá)到90db以上，高精度運(yùn)放甚至達(dá)到120db。因?yàn)楦蓴_信號(hào)一般是以共模信號(hào)的形式存在，所以差分信號(hào)的應(yīng)用極大地提高了放大器系統(tǒng)的信噪比。?優(yōu)點(diǎn)1、抗干擾能力強(qiáng)。干擾噪聲一般會(huì)等值、同時(shí)的被加載到兩根信號(hào)線上，而其差值為0，即，噪聲對(duì)信號(hào)的邏輯意義不產(chǎn)生影響。2、能有效抑制電磁干擾（EMI）。由于兩根線靠得很近且信號(hào)幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場(chǎng)的幅值也相等，同時(shí)他們的信號(hào)極性相反，其電磁場(chǎng)將相互抵消。因此對(duì)外界的電磁干擾也小。3、時(shí)序定位準(zhǔn)確。差分信號(hào)的接受端是兩根線上的信號(hào)幅值之差發(fā)生正負(fù)跳變的點(diǎn)，作為判斷邏輯0/1跳變的點(diǎn)的。而普通單端信號(hào)以閾值電壓作為信號(hào)邏輯0/1的跳變點(diǎn)，受閾值電壓與信號(hào)幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號(hào)。?缺點(diǎn)若電路板的面積非常緊張，單端信號(hào)可以只有一根信號(hào)線，地線走地平面，而差分信號(hào)一定要走兩根等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線。這樣的情況常常發(fā)生在芯片的管腳間距很小，以至于只能穿過一根走線的情況下。
時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（?CDR:?clock?data?recovery）
時(shí)鐘恢復(fù)作為高速串行通信必須具有的核心功能得到越來越廣泛的應(yīng)用，在以太網(wǎng)、PCI-Express、Aurora中都有時(shí)鐘恢復(fù)模塊。相對(duì)的，傳統(tǒng)的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)牟⑿袀鬏敺绞綗o法達(dá)到1Gb/s以上帶寬。
簡單的來說，所謂時(shí)鐘恢復(fù)就是：根據(jù)參考時(shí)鐘，從數(shù)據(jù)信號(hào)把時(shí)鐘信號(hào)提取出來。相對(duì)應(yīng)的，在信道上只傳輸串行數(shù)據(jù)，在信道上并沒有時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)接收端接收串行數(shù)據(jù)并進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)。
SERDES中，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的基礎(chǔ)
通常CDR協(xié)議運(yùn)行在較高的數(shù)據(jù)速率和較長的傳送距離，因此帶來很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。?在SERDES(Serializer-Deserializer)應(yīng)用中，顧名思義，CDR接收器必須從數(shù)據(jù)中恢復(fù)嵌入的時(shí)鐘。更準(zhǔn)確地說，是從數(shù)據(jù)信號(hào)的交換中獲取時(shí)鐘。?CDR發(fā)送器首先串行發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8b/10b編碼方案。編碼處理獲得8位數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成10位符號(hào)。8b/10b編碼方式可以在數(shù)據(jù)線上傳送相等數(shù)目的0和1，從而減少碼間干擾，并提供足夠多的數(shù)據(jù)邊沿，以便接收器在收到的數(shù)據(jù)流上鎖定相位。發(fā)送器將系統(tǒng)時(shí)鐘倍頻至傳送比特率，并以該速率在TX差分對(duì)上發(fā)送8b/10b數(shù)據(jù)。?CDR接收器的任務(wù)首先是在RX差分位流上鎖定相位，然后接收器按照恢復(fù)的時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)位對(duì)齊，接著用接收器的參考時(shí)鐘進(jìn)行字對(duì)齊。最后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行8b/10b解碼，供系統(tǒng)使用。?在CDR系統(tǒng)中，發(fā)送和接收系統(tǒng)通常擁有完全獨(dú)立的系統(tǒng)時(shí)鐘。這兩個(gè)時(shí)鐘在一個(gè)特定的變化范圍內(nèi)非常關(guān)鍵，這個(gè)范圍大約是數(shù)百個(gè)PPM。
CDR電路與抖動(dòng)
CDR接口的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是抖動(dòng)，即實(shí)際數(shù)據(jù)傳送位置相對(duì)于所期望位置的偏移?？偠秳?dòng)(TJ)由確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)組成。大多數(shù)抖動(dòng)是確定的，其分量包括碼間干擾、串?dāng)_、占空失真和周期抖動(dòng)(例如來自開關(guān)電源的干擾)。而通常隨機(jī)抖動(dòng)是半導(dǎo)體發(fā)熱問題的副產(chǎn)品，且很難預(yù)測(cè)。?傳送參考時(shí)鐘、傳送PLL、串化器和高速輸出緩沖器都對(duì)會(huì)傳送抖動(dòng)造成影響。對(duì)于給定的比特周期或者數(shù)據(jù)眼，傳送抖動(dòng)通常用單位間隔的百分比或UI(單位間隔)來說明。例如，.2 UI的傳送抖動(dòng)表示抖動(dòng)由比特周期的20%組成。對(duì)于傳送抖動(dòng)而言，UI數(shù)值越低越好，因?yàn)樗鼈兇磔^少的抖動(dòng)。?同樣地，CDR接收器將指定在給定比特率時(shí)所能容忍的最大抖動(dòng)量。典型的比特誤碼率(BET)標(biāo)準(zhǔn)是1e-12。接收抖動(dòng)仍然用UI來指定。較大的UI表明接收器可以容忍更多的抖動(dòng)。典型的接收器規(guī)格是.8 UI，這意味著80%的比特周期可以是噪聲，此時(shí)接收器將仍然能夠可靠地接收數(shù)據(jù)。抖動(dòng)通常用統(tǒng)計(jì)鐘形分布來量化，該分布在其定點(diǎn)處有理想的邊沿位置。
信道均衡（Channel?equalization）
信道均衡（Channel equalization）是指為了提高衰落信道中的通信系統(tǒng)的傳輸性能而采取的一種抗衰落措施。它主要是為了消除或者是減弱寬帶通信時(shí)的多徑時(shí)延帶來的碼間串?dāng)_（ISI）問題。
其機(jī)理是對(duì)信道或整個(gè)傳輸系統(tǒng)特性進(jìn)行補(bǔ)償，針對(duì)信道恒參或變參特性，數(shù)據(jù)速率大小不同，均衡有多種結(jié)構(gòu)方式。大體上分為兩大類：線性與非線性均衡。線性均衡器和非線性均衡器的主要差別在于自適應(yīng)均衡器的輸出被用于反饋控制的方法。對(duì)于帶通信道的均衡較為困難，一般都是待接收端解調(diào)后在基帶進(jìn)行均衡，因此基帶均衡技術(shù)有廣泛應(yīng)用。?在實(shí)際中一般是加入自適應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)信道均衡。使用濾波器來補(bǔ)償失真的脈沖，判決器得到的解調(diào)輸出樣本，是經(jīng)過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應(yīng)均衡器直接從傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)字信號(hào)中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應(yīng)信道的隨機(jī)變化，使均衡器總是保持最佳的狀態(tài)，從而有更好的失真補(bǔ)償性能。
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