如何在高速信號中降低符號間干擾

可能影響 PCB 信號完整性的問題列表很長，但在高速通道中特別應(yīng)該診斷的一種問題是：符號間干擾。這種特定的信號完整性問題涉及比特流中信號之間的干擾，就像其名稱所示。那么，是什么導(dǎo)致了這種信號完整性問題？如何減少符號間干擾？

本文要點(diǎn)：
·  即使進(jìn)行了完美的阻抗匹配，所有傳輸線也都會(huì)存在某些信號完整性問題。
·  由于損耗、色散和寄生組件而經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)問題是符號間干擾。
·  這種信號完整性問題會(huì)導(dǎo)致比特流中的錯(cuò)誤，但謹(jǐn)慎的通道設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)器/接收器選擇可以有效減少錯(cuò)誤。
可能影響 PCB 信號完整性的問題列表很長，但在高速通道中特別應(yīng)該診斷的一種問題是：符號間干擾。這種特定的信號完整性問題涉及比特流中信號之間的干擾，就像其名稱所示。那么，是什么導(dǎo)致了這種信號完整性問題？如何減少符號間干擾？
這個(gè)問題通常在電信環(huán)境中討論，但是在 PCB 中也會(huì)出現(xiàn)類似的效應(yīng)。雖然我們永遠(yuǎn)無法完全從 PCB 中消除信號完整性問題（包括符號間干擾），但可能可以將符號間干擾減少到在典型測量中不會(huì)被注意到的程度。本文將討論如何在高速通道中減少符號間干擾。
1. 什么導(dǎo)致符號間干擾？
符號間干擾是與數(shù)位比特流或用于信號標(biāo)準(zhǔn)（如PAM-4）的脈沖流有關(guān)的問題。所有有限帶寬信道都將顯示符號間干擾，而每個(gè)電氣通道都是到某個(gè)高頻率的有限帶寬。

此信號分析儀測量結(jié)果顯示了極端的符號間干擾
當(dāng)數(shù)字信號流被接收器讀取時(shí)，其中一個(gè)信號會(huì)干擾后續(xù)的信號，這種現(xiàn)象被稱為符號間干擾。
電信系統(tǒng)，特別是無線系統(tǒng)
符號間干擾通常是由于信號的副本以不同的時(shí)間到達(dá)接收器所造成的多徑效應(yīng)引起的。就算是對于具有互連和數(shù)位位元流的松散布線 PCB 而言，也可能存在符號間干擾問題。
數(shù)位信道
位元串流可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，導(dǎo)致符號間干擾，包括：
·  輕微阻抗不匹配引起的反射
·  相位失真引起的拉伸脈沖（由基板中的色散引起）
·  接收器輸入處看到的慢脈沖響應(yīng)（由負(fù)載電容引起）
·  極端的抖動(dòng)，平均抖動(dòng)時(shí)間與信號的UI相當(dāng)（這種情況很少見）
符號間干擾可能聽起來有點(diǎn)玄乎，但在時(shí)域波形中很容易被發(fā)現(xiàn)。盡管它是由頻域問題（有限帶寬）引起的，但在時(shí)域中可以很容易地看到它。
2. 診斷符號間干擾
符號間干擾可以在眼圖中看到，如下圖所示。只要在 PCB 上放置測試夾具，大多數(shù)高帶寬示波器或數(shù)字信號分析儀都可以用來收集此測量數(shù)據(jù)。

眼圖顯示符號間干擾
一個(gè)完美的眼圖會(huì)有完全重迭的信號，沒有任何抖動(dòng)（水平上升時(shí)間變化）或噪聲（信號電平變化）。在上面的圖像中，當(dāng)我們看到波浪狀的信號行為重迭在高電平和低電平之間時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)符號間干擾。抖動(dòng)表現(xiàn)為信號上升時(shí)間的水平變化。
3. 在 PCB 板層級上如何減少符號間干擾
在上述清單中的四個(gè)要點(diǎn)中，只有前三個(gè)非常常見。關(guān)于第四點(diǎn)有關(guān)抖動(dòng)的問題，由于功率穩(wěn)定性的微小變化，總會(huì)存在一些抖動(dòng)。然而，類似 UI 一樣巨大的抖動(dòng)并不常見，除了很可能是高 PDN 阻抗之外的多個(gè)問題也導(dǎo)致了非常大的抖動(dòng)。
如果要減少符號間干擾，需要著重于三個(gè)方面：阻抗不匹配、色散和緩慢的脈沖響應(yīng)。以下表格概述了一些方法：

選擇更少色散的 PCB 層壓板和具有更小負(fù)載電容的組件等解決方案只能解決部分問題。對于高數(shù)據(jù)速率信道，最好的解決方案是確保極其精確的阻抗匹配并添加延遲時(shí)間。編程延遲到位元流中的解決方案將降低總數(shù)據(jù)速率，但也會(huì)降低誤碼率。
對于阻抗不匹配，請記住——
我們只需要關(guān)注一定范圍內(nèi)匹配阻抗（通常是幾個(gè)GHz）即可。
還有兩種方式可以強(qiáng)制接收器完全忽略由符號間干擾引起的信號電平的干擾 UI 變化，即遵循 Nyquist ISI標(biāo)準(zhǔn)并使用均衡技術(shù)。
Nyquist ISI 標(biāo)準(zhǔn)
有一種特定的取樣率可以在接收器組件中使用，以便恢復(fù)的信號完全不受符號間干擾的影響。當(dāng)接收器讀出具有以下特性的數(shù)字脈沖流時(shí)，就可以滿足Nyquist ISI 準(zhǔn)則：

Nyquist ISI 標(biāo)準(zhǔn)
在這里，Tb 是數(shù)據(jù)流的位元率。這個(gè)方程式表明，當(dāng)接收機(jī)恰好以比特率進(jìn)行采樣時(shí)，只要比特波形在任何其他采樣時(shí)間都為0，它始終會(huì)準(zhǔn)確鎖定到所發(fā)送的位的真實(shí)值。通過精確地塑造所傳輸?shù)牟ㄐ?，可以?shí)現(xiàn)這種性質(zhì)，需要使用脈沖整形濾波器。
均衡
采用均衡化方案，如分布反饋均衡化，旨在通過估算算法恢復(fù)信號質(zhì)量。這將理想地消除可能疊加在接收信號上的符號間干擾或其他噪聲。但是，均衡化不是只需“添加”到組件中即可。它是使用特定電路實(shí)現(xiàn)的，該電路內(nèi)置于組件中。新一代 DDR 和 PCIe 正是在接收端使用均衡化，我們可以期待在未來其他信令標(biāo)準(zhǔn)的下一代中更加標(biāo)準(zhǔn)化。