【導(dǎo)讀】高速電鏈路的性能受到板卡、封裝和連接器中的導(dǎo)體損耗、介電色散和反射的限制。這些非理想特性帶來了明顯的碼間干擾。我們?cè)诋?dāng)前的系統(tǒng)中要么通過復(fù)雜的均衡、信號(hào)調(diào)制與編碼技術(shù)進(jìn)行處理，要么通過成本不菲的阻抗控制與制造工藝來減輕ISI效應(yīng)。我們提出的方法并不是盡量削減ISI，而是使用板卡與封裝中簡(jiǎn)單的無源結(jié)構(gòu)將信道響應(yīng)塑形為一組ISI受控的信道特性。我們?cè)诎l(fā)射器與接收器上利用了此種受控的ISI，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)并獲得了較高的數(shù)據(jù)速率。在常見連接技術(shù)中應(yīng)用ISI受控的連接器的設(shè)計(jì)方法是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。我們也通過雙二進(jìn)制與模擬多頻音（AMT）等信令方式給出了模擬示例，以證明這種設(shè)計(jì)方法的有效性與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
1 引言
為了支持當(dāng)前計(jì)算與通訊系統(tǒng)的高帶寬要求，無源互連器件必須具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力。目前，芯片-芯片與背板鏈路帶寬受到無源器件（封裝、板卡、連接器等）帶寬的限制，而不受發(fā)射器和接收器中有源線路工作速度的限制。由于連接器及其周邊器件內(nèi)在損耗與彌散機(jī)理，互連系統(tǒng)在帶寬上受到限制。這些非理想狀態(tài)在低成本封裝、印制電路板（PCB）和連接器技術(shù)中尤為明顯。圖1（a）是常見連接系統(tǒng)中各種信道長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的插入損耗。當(dāng)工作頻率超過5GHz時(shí)，在例如常見背板中的那些較長(zhǎng)的信道中所能接收到的信號(hào)能量是非常小的。對(duì)于中等長(zhǎng)度與較短的信道而言，同樣難以檢測(cè)到頻率超過10GHz的信號(hào)能量。除衰減外，由于通孔、連接器、焊球和短截線等所造成的不連續(xù)也嚴(yán)重地限制了信道帶寬。這種帶寬限制結(jié)構(gòu)中的一些并不是信號(hào)通路的一部分，它們的存在僅僅是因?yàn)橛挟a(chǎn)品制造或機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的要求。例如，常見背板中的穿孔短截線和絲焊的塑料焊球陣列封裝中的電鍍短截線，它們就沒有任何電氣方面的用途。由于這些穿孔和電鍍短截線帶來諧振，因而明顯地降低了信道的工作帶寬，如圖1（b）所示。結(jié)果，帶有長(zhǎng)短截線的印制線的頻帶寬度大幅減小。
現(xiàn)在，我們可以設(shè)計(jì)阻抗受控的互連系統(tǒng)，使得通過互連器件的信號(hào)數(shù)據(jù)速率提高。此外，借助于精確的補(bǔ)償技術(shù)也可以大大減小連接器、焊球和短截線等所造成的不連續(xù)性。不過，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，這種補(bǔ)償技術(shù)的效應(yīng)卻在不斷減弱；這是因?yàn)樵摷夹g(shù)在本質(zhì)上只適用于窄帶寬的情形，并且難以抑制隨著數(shù)據(jù)速率提高而產(chǎn)生的總體信道衰減。先進(jìn)封裝、連接器、穿孔技術(shù)和更好的材料固然可以進(jìn)一步改善信道的傳輸特性，但信道的成本將會(huì)隨之大幅增加。降低ISI效應(yīng)的另一種途徑是使用信道均衡方法。遺憾的是，對(duì)于短截線長(zhǎng)度較長(zhǎng)的低成本互連技術(shù)而言，其帶零值的頻率特性可能會(huì)在使用簡(jiǎn)單的均衡方法時(shí)遇到一些問題。這就需要采用復(fù)雜的芯片上數(shù)字信號(hào)處理線路來解決。一種備選方案是使用多級(jí)信令的方式并將數(shù)據(jù)壓縮進(jìn)窄小的帶寬中。然而，多級(jí)信令不僅降低了其信噪比（SNR），還增加了定時(shí)恢復(fù)線路的復(fù)雜程度，使得系統(tǒng)能耗也相應(yīng)增大。一種與上述均力圖消除ISI的技術(shù)不同的備選方案為，控制ISI并將其塑形為某種已知模式，從而可以用來在接收器處高效地檢出信號(hào)。在這種備選方案中，設(shè)計(jì)連接系統(tǒng)的目標(biāo)是使用印制線和過孔短截線對(duì)信道響應(yīng)進(jìn)行塑形（與阻抗匹配相反）；這樣做系統(tǒng)就能獲得所需要的特性，能夠傳輸更高的數(shù)據(jù)速率，并且使發(fā)射器和接收器的結(jié)構(gòu)都更加簡(jiǎn)單。
2 尖端鏈路的設(shè)計(jì)
在高速鏈路設(shè)計(jì)中，通常使用均衡與信號(hào)處理技術(shù)來減輕ISI影響。均衡可以補(bǔ)償信道與頻率有關(guān)的損耗、板卡與封裝中長(zhǎng)的印制線的彌散以及因元件過載而造成的彌散。圖2以框圖形式顯示了一條尖端鏈路。線性反饋均衡器與判定反饋均衡器通常都存在于目前的系統(tǒng)中。線性均衡器是一個(gè)使用參數(shù)可調(diào)的線性濾波器來補(bǔ)償信道失真的正向輸送均衡器（FFE）。它可以作為發(fā)射器預(yù)加重與/或接收器均衡來使用，如圖3所示。盡管接收器均衡有許多優(yōu)點(diǎn)，但是，每秒千兆位級(jí)并行總線最簡(jiǎn)單且最具成本效益的方法還是傳輸預(yù)加重型。傳輸預(yù)加重通過預(yù)加重輸入信號(hào)的高頻部分從而補(bǔ)償該信道的低通量特性，見圖3中的傳輸均衡器的傳輸函數(shù)圖。不過，發(fā)射器用信號(hào)振幅組的一部分來產(chǎn)生緊跟主符號(hào)后的預(yù)成形符號(hào)，從而降低SNR。有發(fā)射與接收線性均衡的系統(tǒng)，其性能可以簡(jiǎn)單地通過時(shí)域或頻域的線性分析來確定。我們可以通過將濾波器作為并行發(fā)射器集成到各驅(qū)動(dòng)模塊上的模擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)預(yù)加重濾波器的構(gòu)造。
判定反饋均衡器（DFE）是一種使用先前判定來消除由先前檢出的符號(hào)對(duì)當(dāng)前要檢出符號(hào)所造成的ISI的非線性均衡器。使用DFE的高速互連器件的單比特響應(yīng)（SBR）情況如圖4所示。DFE無法消除前置ISI的影響，因?yàn)樗鼈兇嬖谝蚬P(guān)系。因此，DFE通常需要與FFE成對(duì)使用。DFE是消除后置ISI最有效的方法，因?yàn)樗c發(fā)射FFE相反，并不會(huì)減小發(fā)射峰的電壓配額，并且與接收FFE不同的是，它并不會(huì)放大信道噪聲。不過，如果使用了DFE，那么在設(shè)計(jì)最初（幾個(gè)）后驅(qū)DFE分接頭時(shí)線路設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)將是在一個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）單位時(shí)間間隔內(nèi)關(guān)閉反饋回路的計(jì)時(shí)，如圖5（a）所示。這個(gè)問題對(duì)于第一個(gè)FDE分接頭而言尤其明顯，因?yàn)樗邮盏男盘?hào)必須要檢測(cè)，再乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，并從輸入信號(hào)中減去，所有這些僅在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)完成。在20Gbps下的2-PAM鏈路中，單位時(shí)間間隔可能僅有50ps那么短。因此在高速鏈路中最開始的DFE分接頭通常未被移除，或者通過先行計(jì)算來展開反饋回路并增加回路中的時(shí)延。
在分接頭數(shù)量為一個(gè)且回路展開的DFE中，每個(gè)周期要進(jìn)行兩次判定。一個(gè)比較電路按照假定前一個(gè)接收到的信號(hào)為1的情形對(duì)當(dāng)前接收到的信號(hào)進(jìn)行判定；另一個(gè)比較電路按照假定前一個(gè)接收到的碼元為0的情形對(duì)當(dāng)前接收到的信號(hào)進(jìn)行判定。一旦知道前一個(gè)碼元，我們就能選擇正確的比較電路輸出。圖5（b）中所示的是一個(gè)分接頭數(shù)量為一個(gè)且回路展開的DFE?；芈氛归_的DFE在兩個(gè)調(diào)節(jié)過的眼位上做出兩次判定，這一過程是通過使用以最開始的后驅(qū)分接頭ISI大小作為補(bǔ)償?shù)牟蓸悠鱽磉M(jìn)行的。圖6（a）和（b）分別顯示了上眼圖和下眼圖。這兩個(gè)眼位分開的程度與最開始的后驅(qū)分接頭ISI成比例?；芈氛归_DFE中的定時(shí)限制要在一個(gè)單位的時(shí)間間隔中容納一個(gè)正反器和一個(gè)復(fù)用器；這在20Gbps的情況下仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。分接頭數(shù)量超過1時(shí)，展開回路所需要的取樣器的數(shù)量會(huì)以2分接頭數(shù)量的方式增加。因此，在通常情況下盡量避免展開分接頭數(shù)量超過1的回路。
3 ISI受控鏈路設(shè)計(jì)
3.1 局部響應(yīng)信令
我們假設(shè)通訊信道中的ISI現(xiàn)象非常嚴(yán)重，以至于在信號(hào)通過信道時(shí)，前一個(gè)碼元被疊加在當(dāng)前的碼元上。也就是說，在n時(shí)刻所接收到的信息Yn由公式（1）來確定：
圖3 沿發(fā)射與接收線性均衡器的信道傳輸函數(shù)
圖4 分接頭數(shù)量為三個(gè)的DFE應(yīng)用在第二、第三和第四后驅(qū)體是的單比特響應(yīng)
（a）標(biāo)準(zhǔn)DFE （b）回路展開的DFE
圖5 DFE的反饋回路中的時(shí)延
在這里，Xn為時(shí)刻n 時(shí)所發(fā)射的符號(hào)。那么對(duì)于2-PAM系統(tǒng)而言，如果Xn與Xn-1相等，那么所接收到的信號(hào)要么為0要么就為2，否則就為1。因此，如果我們知道Xn-1是什么，我們就能用常規(guī)DFE或回路展開的DFE來找出Xn是什么。
或者，我們也可以在發(fā)射器發(fā)射信號(hào)之前在該處進(jìn)行以下的簡(jiǎn)單預(yù)編碼：
圖6 由上部和下部取樣器所看到的所接收到的經(jīng)過調(diào)解的眼位
（a）上部眼位（b）下部眼位
⊕式中，⊕代表XOR運(yùn)算，并且傳遞的是Yn而非Xn。這樣，我們就能輕而易舉地證明接收器處的水平2和0對(duì)應(yīng)于Xn = 0，且不論Xn-1的值為何、水平1均對(duì)應(yīng)于Xn = 1。因此，在發(fā)射器上進(jìn)行的編碼就獻(xiàn)出了在接收器處使用DFE的需要；而且該過程無需增加發(fā)射器電壓凈空要求，這是因?yàn)榘l(fā)射序列仍然由1和0所組成。這種信令方式稱為雙二進(jìn)制信令，首先是由Lender提出的。如果信道特性并非如上所述的那樣，我們可以在發(fā)射器處使用一個(gè)線性FFE來對(duì)信道進(jìn)行預(yù)編碼，從而使得信道符合雙二進(jìn)制ISI模式。因此在實(shí)際系統(tǒng)中，我們通常在信道特性近似于雙二進(jìn)制信道時(shí)才使用雙二進(jìn)制信令。雙二進(jìn)制信令已經(jīng)有在一塊較長(zhǎng)的FR4背板上通過了10Gbps及更高速率驗(yàn)證。特定于其他信道類型的其他部分響應(yīng)信令類型也同樣存在。表1列出了雙二進(jìn)制、雙碼、改型雙二進(jìn)制和2類等常見的少數(shù)幾種局部響應(yīng)系統(tǒng)的特性。
圖7（a）和（b）分別顯示了雙二進(jìn)制、雙碼、改型雙二進(jìn)制和2類的頻率響應(yīng)及脈沖響應(yīng)。雙二進(jìn)制信道是一個(gè)零頻為Ω=π/T的低通量濾波器，雙碼信道是一個(gè)零頻為Ω=0的高通量濾波器。改型雙二進(jìn)制信道是一個(gè)零頻同時(shí)為Ω=0和Ω=π/T的通頻帶。2類信道也是一個(gè)零頻為Ω=π/T的低通量系統(tǒng)，只是其頻響衰減波形與雙二進(jìn)制信道不同。雙二進(jìn)制的眼圖與2類系統(tǒng)的眼圖分別見圖8（a）和（b），雙二進(jìn)制和2類系統(tǒng)分別有3個(gè)和5個(gè)等級(jí)。
3.2 多頻音信令
前面介紹的局部響應(yīng)方法利用了在信道頻率響應(yīng)第一個(gè)陷波之前的信道帶寬的一部分。但在第一個(gè)陷波之后，信道頻率響應(yīng)有可能恢復(fù)為非零值，比如頻率響應(yīng)為1+e#(-jπfT)的雙二進(jìn)制信道就是如此。事實(shí)上，頻率響應(yīng)中的陷波間隔距離相等，均為（2k+1）/2T；可以用于信號(hào)傳輸?shù)念~外信道帶寬存在于每?jī)蓚€(gè)陷波之間，這是因?yàn)殡p二進(jìn)制傳輸并沒有使用該位置。在這種情況下，我們可以傳輸由以直流為中心的雙二進(jìn)制流和一組以非零載波頻率為中心的通頻帶流所組成的多頻音序列。
圖7 頻域特性和少數(shù)幾種部分響應(yīng)系統(tǒng)脈沖響應(yīng)：
雙二進(jìn)制（類型1）、雙碼、修正型雙二進(jìn)制和類型2（a）頻域響應(yīng)（b）時(shí)域響應(yīng)
最近，業(yè)界提出了一種適用于高速鏈路的多頻音新架構(gòu)，稱為模擬多頻音（AMT）。圖9（a）中所示的是一種簡(jiǎn)化的三通道型AMT系統(tǒng)。我們將輸入碼元流與三條子流并列放置，各子流的速度為總比特率的三分之一。接下來各子流均被調(diào)節(jié)至其各自的載波頻率上，合并后的信號(hào)通過線路發(fā)送出去。圖9（b）為各子信道在接收器輸入端處的獨(dú)特頻率響應(yīng)的示意圖。AMT系統(tǒng)中所有的載波頻率均為子流碼元速率的整數(shù)倍。當(dāng)ISI不存在時(shí)，子流在接收器中用混合器和整合器彼此分隔開來。在出現(xiàn)ISI的實(shí)際系統(tǒng)中，正向輸送均衡器別放置在各子流的發(fā)射器處，以維持接收器處各子流之間的正交狀態(tài)。發(fā)射器處的混合器也與發(fā)射均衡器整合在一起，并且在數(shù)字域中發(fā)揮作用。與常見的非歸零（NRZ）系統(tǒng)相似，AMT系統(tǒng)中的每條子流可以在接收器處配備一個(gè)DFE，DFE甚至可以存在于各子流之間，以消除后置的信道間干擾（ICI）。不過，AMT中的DFE以子流速率運(yùn)行，其速率只是系統(tǒng)總比特率的幾分之一。因此，時(shí)序約束就減輕了很多。在雙二進(jìn)制信道1+e#(-jπfT)上，如果子流速率被設(shè)定等于T，那么，信道會(huì)在發(fā)射器輸出端處延遲整合信號(hào)（并因此延遲了組成它的各子流）達(dá)一個(gè)完整的子流周期，并將其疊加至自身。不過，由于各載流頻率為1/T的整數(shù)倍，該運(yùn)算并不影響子流之間保持正交狀態(tài)。因此，各子流在接收器處被混合與整合后，各子流將作為雙二進(jìn)制序列被分開。因此，我們可以在發(fā)射器處的各子流上進(jìn)行雙二進(jìn)制編碼，以簡(jiǎn)化各子流的信號(hào)檢測(cè)。
圖8 數(shù)據(jù)速率20Gbps的（a）雙二進(jìn)制和（b）類型2的部分響應(yīng)信號(hào)眼圖（a）雙二進(jìn)制（b）類型2
圖9 三通道AMT系統(tǒng)與子信道頻率響應(yīng)
（a）三通道AMT系統(tǒng)；（b）子信道頻率響應(yīng)
雖然我們本章的論據(jù)基礎(chǔ)是雙二進(jìn)制信道，但這些論據(jù)卻可延展至前一章中所介紹的局部響應(yīng)信令方法的所有變化。
4 受控ISI信道工程設(shè)計(jì)
高速鏈路信道通常為在的均衡技術(shù)的幫助下盡力消除ISI的系統(tǒng)。這樣的而系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，還非常耗能。除此之外，這樣的鏈路信道通常通量較低，并伴有急劇的高頻率規(guī)律性衰減。雖然它們與第三部分中的低通量部分響應(yīng)信道類似，但并非完全一樣。即使ISI消除型信道陷波類似于雙二進(jìn)制系統(tǒng)陷波，其陷波頻率也可能并不符合目標(biāo)信號(hào)速率。因此，為了創(chuàng)造等效的部分響應(yīng)信道，在發(fā)射器處設(shè)置一定量的均衡是有必要的，而這樣做也意味著能量消耗的提高并降低SNR。在本文中，我們通過在PCB印制線和封裝上添加無源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，從而提出一種在常規(guī)鏈路基礎(chǔ)上創(chuàng)建部分響應(yīng)信道的備選方案。
圖10（a）表示一個(gè)帶有單短截線的互連系統(tǒng)，短截線用來調(diào)節(jié)其傳輸特性。我們可以通過改變短截線的長(zhǎng)度和阻抗來改變系統(tǒng)響應(yīng)波形。短截線的長(zhǎng)度決定零頻，其阻抗影響衰減，如圖10（b）和（c）所示。短截線長(zhǎng)度與初次零頻關(guān)系如下所示：
式中，c0為光速，∈r為電容率或材料的介電常數(shù)，L 為短截線的長(zhǎng)度。對(duì)于低損耗的材料而言，信道級(jí)響應(yīng)對(duì)短截線的位置較為敏感。
(a) 添加一條短截線 ；(b)H(f）作為短截線長(zhǎng)度的函數(shù)；(c)H(f）作為短截線阻抗的函數(shù)
圖10 用一條短截線給信道傳輸函數(shù)塑形
添加多條短截線，我們就能非常近似地獲得所需的光譜形狀。我們可以通過短截線長(zhǎng)度和阻抗這兩個(gè)可調(diào)參數(shù)在多個(gè)位點(diǎn)處修改信道的特性參數(shù)。因此，在各個(gè)短截線位置，信道的特征阻抗可以改變。圖11（a）表示配有兩條短截線的互連系統(tǒng)。其中一條短截線可以代表一種不連續(xù)狀態(tài)，作為信道的一個(gè)部分且無法移除。我們可以有意添加另一條短截線來改變信道的響應(yīng)。在短截線之前及之后的印制線的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=50mm和L3=25mm。兩條短截線的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)4=L5=14.5mm。通過調(diào)整短截線之間的距離，我們可以明顯改變互連系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，如圖11（b）所示。圖中的曲線1是添加第二條短截線之前的信道響應(yīng)。當(dāng)短截線之間的距離為10mm時(shí)，我們得到了曲線2所示的平坦的信道響應(yīng)。不過，當(dāng)距離設(shè)置為5.0mm和2.5mm時(shí)，信道響應(yīng)在更高的頻率處出現(xiàn)峰值，參見曲線3和4。因此，我們可以通過短截線及短截線反射的相互作用來大幅改變互連系統(tǒng)的總體信道特性。來自短截線的局部反射所造成影響可以通過小反射理論來粗略估算。不過，可以調(diào)整的實(shí)際上也只有少數(shù)幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，通過模擬調(diào)節(jié)少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)更容易找到最佳方案。
5 案例分析：一條6英寸FR4芯片-芯片互連器件
圖12（a）中是我們將在本文中研究的芯片-芯片互連系統(tǒng)示意圖。該互連器件由一條6英寸FR4 PCB印制線、兩個(gè)低成本塑料封裝（內(nèi)部各有20mm長(zhǎng)的基板印制線）、PCB和封裝過孔和寄生元器件（Ci和Ri，即電容和電阻），以及短截線組成。隨著信號(hào)通過信道傳播，所有這些元器件都會(huì)使信號(hào)發(fā)生衰減與彌散。為了對(duì)數(shù)千兆赫茲級(jí)頻率的信道進(jìn)行分析，我們?yōu)樾诺乐袩o源和有源器件建立了精確的模型。圖12（b）是一個(gè)點(diǎn)-點(diǎn)差分互連系統(tǒng)的電路示意圖，其中有傳輸線路、終端和一個(gè)主驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單模型。我們將研究不同傳輸方法在該通訊信道上的性能，以驗(yàn)證所用方法的有效性。
圖11 用多條短截線對(duì)信道傳輸函數(shù)進(jìn)行塑形
（a）使用多條短截線對(duì)信道特性進(jìn)行塑形；（b）H(f）作為短截線間距的函數(shù)
5.1 常見發(fā)射與接收均衡
第一種減輕ISI效應(yīng)的方法是使用均衡技術(shù)。圖13（a）中所示的是目標(biāo)數(shù)據(jù)速率為20Gb/s的系統(tǒng)在進(jìn)行均衡前以及進(jìn)行功率受約束的發(fā)射均衡后的傳輸函數(shù)。低成本封裝上的電鍍短截線在大約14GHz處給信道傳輸函數(shù)帶來了一個(gè)短截。因?yàn)檫@個(gè)原因，發(fā)射均衡器不得不大幅衰減傳輸數(shù)據(jù)的低頻部分，并使得總體的均衡后傳輸函數(shù)變得扁平。這導(dǎo)致SNR在接收端產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p失。圖13（b）中所示的是系統(tǒng)原始SBR和均衡后的SBR。圖14（a）和（b）中所顯示的分別是使用標(biāo)準(zhǔn)DFE均衡后的眼圖，以及使用分接頭數(shù)量為一個(gè)且回路展開的DFE均衡后的眼圖。盡管使用標(biāo)準(zhǔn)DFE所接收到的眼圖顯示出了一定程度的張開，使用回路展開的DFE則很明顯地改善了系統(tǒng)的電壓余量和時(shí)間余量。
5.2 雙二進(jìn)制信令的信道工程設(shè)計(jì)
第二種方法是通過在板卡和封裝上設(shè)計(jì)印制線短截線來改變信道的特性，并以此來匹配雙二進(jìn)制系統(tǒng)的特性；如圖15所示。設(shè)計(jì)這些短截線的目的是在系統(tǒng)最大工作頻率下設(shè)置零值。我們可以調(diào)整印制線的長(zhǎng)度與阻抗來控制響應(yīng)的頻率特性形狀。短截線印制線長(zhǎng)度為3.75mm。
圖12 芯片到芯片互連系統(tǒng)和信道模型
（a）互連系統(tǒng)（b）信道模型
圖13 發(fā)射與接收均衡（a）頻率響應(yīng)（b）單比特響應(yīng)
圖14 有發(fā)射與接收均衡的眼圖（a）使用標(biāo)準(zhǔn)DFE（b）使用分接頭數(shù)量為一個(gè)的回路展開的DFE
圖16（a）中所示的是理想雙二進(jìn)制、原型和修正后系統(tǒng)的傳輸函數(shù)。修正后的傳輸函數(shù)非常匹配雙二進(jìn)制系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，并且在10GHz的奈奎斯特頻率上有零值。盡管原型系統(tǒng)的傳輸函數(shù)顯示在10GHz可以傳輸更多的能量，但I(xiàn)SI非常嚴(yán)重以至于無法可靠地傳輸速率為20Gbps的數(shù)據(jù)。改進(jìn)后的系統(tǒng)引入了總量受控的ISI，因此系統(tǒng)在不需要任何發(fā)射或接收均衡器的情況下就表現(xiàn)出電壓余量和時(shí)間余量上的極大改善，如圖16（b）所示。
圖15 設(shè)計(jì)改變連接系統(tǒng)整體特性的封裝和PCB印制線的實(shí)例
因?yàn)樵诟哳l下，頻譜內(nèi)容減少，局部響應(yīng)信令如雙二進(jìn)制信令還具有更好的抗串?dāng)_、抗反射特性以及較低的電磁干擾（EMI）。局部響應(yīng)信令可以降低所需的最大頻率，因?yàn)樗试S總量受控的ISI存在。
圖17（a）中所示的是芯片到芯片系統(tǒng)從輸入到輸出的信號(hào)通道眼圖。傳輸媒介將二進(jìn)制NRZ碼元轉(zhuǎn)化為雙二進(jìn)制或2類多級(jí)相關(guān)碼元。圖17（b）中是改變后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)模式和接收到的波形。我們通過信道時(shí)延來改變輸入波形，以此來排列并顯示信道對(duì)于輸入的影響。輸出碼元為發(fā)射器所發(fā)出的當(dāng)前碼元與前面的碼元之和。
圖17 修正型芯片到芯片互連系統(tǒng)將二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為三重信號(hào)。
5.3 AMT信令的信道工程設(shè)計(jì)
圖18表示原有信道頻率響應(yīng)（分貝）和損耗角正切。對(duì)頻率響應(yīng)仔細(xì)檢查后顯示，信道響應(yīng)在第一次陷波頻率（由電鍍短截線所致）后開始反彈，達(dá)到損耗角正切，與圖10（b）中的情況類似。不過，其響應(yīng)由于信道中斷的存在而受抑制。如果沒有這些其他的不連續(xù)，信道響應(yīng)會(huì)在第一次陷波后反彈至損耗角正切，在20GHz以下時(shí)，其衰減小于20dB。因此，第一次陷波后，部分可用信道傳輸容量就被浪費(fèi)了。本節(jié)所研究的第三種方法即是延長(zhǎng)封裝上電鍍短截線的長(zhǎng)度，將主陷波頻率移至低頻，如圖18所示。雖然這種修正降低了第一次陷波前信道的帶寬，但這能讓信道響應(yīng)在受到其他不連續(xù)抑制值前回彈至損耗角正切。
圖18 原有的和改進(jìn)后的頻率響應(yīng)
至此，信道在可用頻率上的頻率響應(yīng)主要取決于一條單短截線，而短截線又具有周期性頻率響應(yīng)，便在15GHz時(shí)產(chǎn)生又一個(gè)陷波。結(jié)果與圖9（b）類似，5GHz到15GHz之間的全通頻帶信道都打開了，可以用AMT發(fā)射器來完成通頻帶信號(hào)傳輸。AMT系統(tǒng)會(huì)要求采用三信道（一條10Gb/s雙二進(jìn)制基帶信道和兩條正交10Gb/s雙二進(jìn)制通頻帶信道），以達(dá)到總計(jì)30Gb/s的數(shù)據(jù)速率。圖19（a）-（c）表示優(yōu)化后的AMT系統(tǒng)在該信道上的三條子流的眼圖。
由于改進(jìn)后的信道并不會(huì)像理想型雙二進(jìn)制信道那樣完全恢復(fù)至0dB，AMT系統(tǒng)需要具備一定數(shù)量的信號(hào)傳輸均衡器，或者是在接收器前端加裝一個(gè)線性均衡器（10GHz時(shí)，其增益為10dB）。AMT系統(tǒng)的接收器同樣需要在各子流上配置一個(gè)分接頭數(shù)量為一的DFE；該DFE回路時(shí)間為200 ps，以消除各個(gè)子流的第二次后驅(qū)ISI。雖然這種方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但其數(shù)據(jù)速率比前一種方法高出50%。圖20中所示的是均衡后降頻轉(zhuǎn)換前三條子流在接收器輸入端的信號(hào)響應(yīng)。
6 結(jié)論
本文論述了一種高速芯片-芯片通信互連器件受控ISI設(shè)計(jì)方法。我們利用常見封裝與板卡技術(shù)中的非理想特性來形成互連系統(tǒng)的信道響應(yīng)。這使得常見互連器件可以在最小的帶寬下傳送較高數(shù)據(jù)速率的信號(hào)，并通過局部響應(yīng)和多音頻信令方式抑制計(jì)時(shí)不準(zhǔn)的發(fā)生。局部響應(yīng)信令（如雙二進(jìn)制信令）還表現(xiàn)出更好的抗串?dāng)_、抗EMI和抗反射特性。
圖19 第一、第二和第三子流眼圖
（a）第一信道（b）第二信道（c）第三信道
圖20 下轉(zhuǎn)換前，三條AMT子流在接收器輸入端處的均衡響應(yīng)
通過上述設(shè)計(jì)方法，我們可以采用低成本的常見封裝和板卡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)20Gbps以上的下一代數(shù)據(jù)傳輸。我們還通過雙二進(jìn)制與模擬多頻音（AMT）的信令方法給出設(shè)計(jì)示例，以論證這種方法的有效性和優(yōu)勢(shì)。
來源：《國(guó)際線纜與連接》
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