目录1. 高速信号传输概述2. 高速信号传输加重技术2.1. 趋肤效应2.2. 预加重Pre-emphasis2.3. 去加重De-Emphasis3. N阶FIR滤波器4. 预 / 去加重实现5. FIR 抽头系数对信号眼图影响1. 高速信号传输概述所有的信号都遵循从驱动端经由信道/夹具到达接收端的路径。由于信道的带宽是有限的并且在传输路径中反射、串扰或其他噪声源的影响接收端的信号质量会大大下降导致误码率极高影响通信质量。下图展示了一个典型的背板传输系统发送端Tx→ FR-4 材质 PCB 背板差分信号路径→ 接收端。图中选取了三个关键测试点对应上方三张眼图Tx 发送端0cm 处眼图清晰、眼高 / 眼宽都很大信号边沿陡峭、噪声 / 串扰极小是理想的信号形态。传输 17 英寸43cm处眼图开始 “张开度” 收窄边沿模糊、轨迹增多出现了明显的码间干扰ISI和抖动信号质量下降。传输 34 英寸86cm处眼图几乎完全闭合轨迹严重重叠高低电平差异极小图中红圈标注接收端已很难可靠识别 0/1 数据误码率会急剧上升。因此我们需要在发送端或者接收端对信号质量进行补偿以减少信号失真对通信性能的影响。补偿技术主要分成加重和均衡两大类。预/去加重是作用在发送端对信号进行预失真以应对信道影响均衡器是作用在接收端对信号失真进行补偿1. 经过信道的信号2. 加重技术和均衡技术后的信号2. 高速信号传输加重技术由于信道的带宽是有限的以及传输线的趋肤效应使得高频信号经过信道介质后衰减比低频信号大。因此加重技术用在发送端来弥补信号高频和低频部分的幅度不平衡。加重技术包含预加重和去加重两种。对比项预加重Pre-emphasis去加重De-emphasis核心逻辑放大信号的高频分量衰减信号的低频分量实现方式在发送端对信号的跳变沿上升 / 下降沿进行增强使跳变时的幅度比稳态电平更高在发送端对信号的稳态电平低频分量进行衰减使跳变沿的相对幅度更高频谱效果提升高频分量的功率压低低频分量的功率相对地提升了高频分量的占比典型应用早期高速串行接口、长距离背板 / 电缆传输PCIe、USB3.x、SATA 等主流高速协议中更常见电压摆幅信号的峰值幅度会变大跳变时电压更高信号的整体摆幅降低稳态电平变低跳变幅度相对不变2.1. 趋肤效应1. 定义当交变电流尤其是高频电流通过导体时电流并非均匀分布在整个横截面上而是集中在导体表面的薄层内流动导体中心区域的电流密度会急剧下降。频率越高电流越 “贴边”这种现象就是趋肤效应。2. 趋肤效应影响1等效电阻激增高频衰减加剧趋肤效应会大幅减小导体的有效导电截面积导致导体的 ** 交流电阻AC Resistance** 随频率升高而显著增大。电阻增大 → 信号在传输过程中的焦耳损耗I²R 损耗增加高频分量的衰减远大于低频分量直接造成你眼图中看到的信号边沿变缓、高频能量丢失。2 与介质损耗共同 “摧毁” 眼图在高速背板传输中趋肤效应带来的导体损耗和 FR-4 介质的介质损耗是两大高频衰减元凶趋肤效应主导中高频段的损耗介质损耗随频率线性增长在 GHz 以上频段占比越来越高 两者叠加最终导致信号频谱失衡眼图逐渐闭合就像你那张图里 34 英寸背板后的效果。3 表面粗糙度的影响被放大当趋肤深度μm 级小于铜箔表面的粗糙度如常见压延铜的 Rz 为 2-4μm时电流需要沿着粗糙的铜面 “绕路” 流动等效路径变长损耗会进一步恶化。2.2. 预加重Pre-emphasis预加重Pre-Emphasis技术是在信号的每一个跳变时刻包含高频部分对信号的高频部分进行增强从而弥补高频信号相对更大的衰减。高频分量信号的上升 / 下降沿衰减远大于低频分量接收端信号边沿变缓、码间干扰ISI加剧眼图收缩甚至闭合预加重的核心逻辑就是在发送端主动增强信号的高频分量提前抵消传输线的高频衰减让接收端收到的信号频谱尽量 “平坦”恢复出张开的眼图。从频域看它相当于一个高通滤波器人为抬升信号的高频功率普通信号稳态电平为标准幅度跳变沿平滑过渡预加重信号跳变瞬间输出一个幅度更高的脉冲持续 1 个 UI 后再回落至稳态电平直观效果信号边沿更陡峭高频分量被 “放大”对抗传输线的低通效应从时域看它会让信号的跳变沿0→1/1→0幅度高于稳态电平形成一个 “过冲”。原始信号频谱高频分量功率随频率升高快速下降预加重后频谱高频分量功率被主动抬升形成一个向上倾斜的频谱传输后频谱经过信道衰减高低频分量功率趋于平衡接收端得到接近理想的信号2.3. 去加重De-Emphasis去加重De-Emphasis技术降低信号跳变以外的低频部分幅度同样能达到高低频部分幅度平衡的目的。传输信道PCB 背板、线缆、连接器因趋肤效应、介质损耗对信号 高频分量上升 / 下降沿 衰减远大于低频分量。最终现象信号边沿变钝、码间干扰 ISI 加重、眼图收缩闭合、误码率上升。从频域看原始信号低频能量高、高频能量低经过信道后高频进一步衰减频谱严重失衡去加重后整体压低低频功率高频功率相对占比被拉高经过损耗信道传输后高低频能量重新平衡还原接近理想信号从时域看信号跳变沿、稳态高低电平幅度一致波形规整。信号发生跳变0↔1瞬间保持原有满幅度高频分量不变信号保持不变长 0 / 长 1 稳态电平被主动压低衰减低频分量视觉效果跳变沿幅值 稳态幅值无明显正向过冲去加重是高速发送端主流补偿技术和预加重目标一致补偿信道频率选择性损耗让接收端频谱趋于平坦。 区别于预加重 “抬升高频”去加重思路是压低低频稳态电平相对提升跳变沿高频的占比。3. N阶FIR滤波器预/去加重电路数学特性可以由N阶FIR滤波器来表征。N阶FIR滤波器差分方程Xn输入信号Yn输出信号hk滤波器抽头系数决定了预加重 / 去加重的强度与效果Z⁻¹单位延迟单元每一级代表 1 个时钟周期的延迟对应 1 个 UI用于生成输入信号的不同历史副本×乘法器将每个延迟后的信号与滤波器系数h(0), h(1), ..., h(n)相乘加法器将所有加权后的信号相加得到最终输出Y(n)高速串行发送端的加重技术正是通过配置这组 FIR 滤波器的抽头系数实现的去加重将当前比特的系数h(0)设为较高值而前序比特的系数h(1), h(2)...设为负值以此压低信号的稳态低频电平。预加重将跳变沿对应的系数设为较高值稳态对应的系数设为较低值以此抬升信号的高频分量。通过调整抽头系数的数值就可以实现不同强度的频率选择性补偿从而对抗传输线的高频损耗。4. 预 / 去加重实现高速串行接口如 PCIe、USB3的发送端加重功能本质就是通过配置 FIR 抽头系数实现的。1. 阶数越高补偿能力越强更高阶的 FIR更多抽头可以更精细地拟合传输线的频率响应补偿更复杂的码间干扰例如PCIe 4.0 的发送端 FIR 通常支持 3~5 阶配置对应不同链路损耗的补偿档位2. 阶数越高实现成本越高延迟单元、乘法器数量随阶数线性增加带来更高的功耗和面积开销对于低损耗、短距离链路低阶 FIR2~3 阶即可满足需求1 去加重FIR系数配置2预加重FIR系数配置5. FIR 抽头系数对信号眼图影响传输线的高频衰减会导致信号频谱失衡眼图闭合。通过调整 FIR 抽头系数去加重压低低频分量让高频分量在频谱中相对占比提升抵消信道衰减预加重直接抬升高频分量补偿信道的高频损耗 最终效果接收端信号频谱趋于平坦边沿恢复陡峭眼图重新张开。FIR滤波器通过对输入信号不同频率成分进行系数加权处理可以改变高/低频幅度从而实现预/去加重。1. 预加重处理的原始波形可以看到信号上升沿即高频部分比低频部分幅值大2. 未经过信道的眼图3. 经过10英寸背板的信号眼图 可以看到预加重抵消了信道的影响