芯耀
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本文我们将探讨插入损耗、码间串扰、抖动、接收端均衡，以及发射端预加重与去加重对实测眼图的影响。若你尚不熟悉眼图及其各类用途，可参考之前的文章浅谈眼图Eye Diagram是什么？
首先回顾一下：眼图是用于评估当今众多复杂系统中信号完整性的电气测量工具。“信号完整性”是描述高速信号质量的术语——高速信号在传输介质及传输路径上的其他元器件中传播时，应保持良好的质量。若信号完整性不佳，接收端可能无法正确解读传输的数据，进而导致高速数据链路出现数据损坏，甚至完全失效。
幸运的是，通过眼图可以识别那些影响（提升或降低）系统性能的关键信号完整性概念。本文中我们将重点讲解三类导致信号完整性下降的主要因素——插入损耗、码间串扰和抖动，以及三种应对信号完整性下降的核心信号调理技术：接收端均衡、预加重和去加重。
首先，导致信号完整性下降的首要且最基础的因素是插入损耗。插入损耗指高速信号在传输介质中传播时，因频率特性产生的自然功率衰减，其大小主要受传输通道长度和传输介质材料特性影响。
例如，上方图表展示了不同长度、4mil宽的微带线（采用标准FR4介质PCB材料）的频率响应，即插入损耗曲线。多数情况下，FR4 PCB走线的插入损耗曲线在全频率范围内大致呈线性；但随着走线长度增加，高频段的插入损耗会更显著。理解插入损耗及其随频率的变化规律十分重要，因为它会影响其他信号完整性指标，比如码间串扰（ISI）。
码间串扰是指数据流中失真的符号（symbol）在传输介质中传播时，相互产生的破坏性干扰，由传输介质插入损耗曲线的变化导致。所有高速数据都由不同组合的bit或符号构成，这些符号可能包含不同的“1”和“0”组合，若单独分析，每种符号都有其独特的频率成分——而传输介质对不同符号的影响程度不同，这会导致信号边沿（从高电平到低电平或低电平到高电平的跳变）相互干扰。
以上面图表为例：上方图表是在发射端直接测得的10Gbps、采用8b/10b编码的数据；下方图表则展示了该数据经过8inch PCB走线后，码间串扰产生的影响。对比两张图可发现：短符号（如单个“1”或“0”）因高频成分多，峰峰值电压衰减更严重；长符号（如“11”“00”“111”“000”）因低频成分多，峰峰值电压衰减相对较小。短符号的严重衰减会影响长符号的边沿，导致前后符号间产生时序误差，最终使数据流中的比特或符号出现“拖影”，这种现象会直接体现在眼图中。
将插入损耗与码间串扰结合起来分析眼图很有意义，因为二者关系密切。
我们对比上方的基准眼图（在发射端直接测得）与下方的受影响眼图，可发现关键差异：基准眼图中，上升沿和下降沿抖动极小，不同符号对应的高电平（VH）和低电平（VL）几乎无波动，眼高和眼宽较大（无衰减作用）；而受插入损耗与码间串扰影响的眼图中，所有构成眼图的符号均出现波动——特定频率下的插入损耗会导致码间串扰，进而使峰峰值电压（即眼幅度）降低，下降沿形状和上升时间受负面影响，VH和VL电平出现波动（两段电平区域变“粗”），眼高减小；同时，码间串扰导致总抖动增加，眼宽减小。部分高速示波器可将码间串扰以ps或毫单位间隔（milli UI）为单位进行测量，其数值由总抖动推算得出。若进一步增加插入损耗和码间串扰，眼图的变化会更显著。
眼图中信号完整性下降的另一基础概念是抖动（或总抖动）。广义上，抖动指数字信号偏离理想周期性的任何偏差，眼图中的总抖动（Total Jitter, TJ）是确定性抖动（Deterministic Jitter, DJ）与随机抖动（Random Jitter, RJ）之和。影响眼图最常见的抖动类型是数据相关抖动（data-dependent jitter），但其他类型的抖动也会在眼图中体现。更多关于Jitter的知识请参考一文讲透什么是时钟抖动Jitter及其影响。
抖动的表现形式多样，此处重点关注其对眼图最基础、最常见的影响。再次对比上方基准眼图与下方受抖动影响的眼图：基准眼图抖动极低（但非零），上升沿和下降沿抖动小，交叉点（crossover region）无波动；而受总抖动增加影响的眼图中，上升沿和下降沿均出现明显波动，眼宽减小——当实测总抖动接近0.5单位间隔（UI）时，这种影响会更显著，且交叉点的时序位置波动明显。
若进一步增加总抖动，眼图变化会更易观察。需注意的是，即便抖动大幅增加，信号的下降沿形状、上升时间以及VH和VL电平几乎不受影响，眼高也不会因此减小。
在讨论了导致信号完整性下降的部分因素后，接下来将介绍通过信号调制技术改善这些问题的方法。应对信号完整性下降的核心工具是接收端均衡。顾名思义，接收端均衡在信号路径的接收端工作，通过选择性增强高频数据来实现改善效果。均衡器电路本质是一个高通滤波器，理想情况下，其频率响应与传输介质的损耗曲线完全相反，从而使目标频段内的数据衰减为0。
通过这种方式，均衡器可补偿通道中的插入损耗，并减少码间串扰。接收端均衡通常具备可编程或自适应特性，使得同一款设计可适配多种传输介质。但在实际应用中，接收端均衡存在局限性：随着频率升高，传输介质的插入损耗会超过均衡器的增强能力，导致信号被施加负增益。因此，接收端均衡器的频率响应必须具备足够带宽，以补偿高速数据流中最高频率成分的衰减。
对比上方“无接收端均衡的衰减眼图”与下方“有接收端均衡补偿的衰减眼图”，可发现关键差异：无均衡的眼图（在接收端输入直接测得）呈现出与前文示例类似的插入损耗、码间串扰和抖动影响，眼图张开度大幅减小，若不符合接收端输入要求，会导致信号完整性恶化——此时部分比特受8inch PCB走线的影响更显著，使得构成眼图上升沿和下降沿的边沿出现分离，这种现象有时被称为“双带效应”（double banding）。
而施加接收端均衡补偿后的眼图中，眼图张开度得到显著改善：码间串扰导致的双带效应基本消除，眼高和眼宽均有所提升；VH和VL电平区域的“粗度”减小；码间串扰引发的抖动部分降低（仍有少量残留）。该示例中的均衡补偿程度接近理想状态，能最大程度改善眼图，仅信号上升时间略有缩短。
若继续增加接收端均衡的补偿程度，眼图会出现“过均衡”现象——对于接收端均衡而言，“过多的好事也会变成坏事”，这一点在眼图中会明显体现。
在过均衡的极端示例中，由于均衡器对高频符号的增强作用远超低频符号，双带效应会再次出现；虽然此时眼高可能反而增加，但过均衡会无意中放大部分低频噪声和抖动，导致眼宽减小，且VH和VL电平区域的“粗度”大幅增加。因此，必须根据传输介质特性，将接收端均衡调至合适数值，避免过均衡。
另一项可用于改善信号完整性的信号调理技术是预加重。预加重在信号路径的发射端工作，通过频率选择性增强数据内容来实现效果。为补偿传输介质中的码间串扰，预加重会相对增强信号边沿（高频成分）的能量，同时削弱波形平坦部分（低频成分）的能量。
上方波形示例中，蓝色为原始信号，橙色为施加预加重后的信号。预加重通过将信号边沿跳变处的电平提升至高于实际VH（或降低至低于实际VL）的水平，来增强数据的高频成分。理想情况下，传输介质会恰好抵消这种增强效果，使接收端看到标准的“1”或“0”比特。
在眼图中识别预加重有时存在难度，对比上方“无预加重的基准眼图”（在发射端直接测得）与下方“施加预加重的眼图”，可发现关键差异：基准眼图中，不同符号对应的VH和VL电平几乎无波动，交叉点无变化；而施加预加重后的眼图中，所有构成眼图的符号均出现波动，边沿存在变化。识别预加重的关键是观察：信号边沿跳变是否超出预期的VH（或低于预期的VL），以及上升时间是否缩短。通常情况下，预加重不会增加抖动，也不会影响交叉点。
若进一步增加预加重程度，眼图变化会更显著：此时过多的预加重会导致双带效应，可能违反接口标准中的直流高电平（DC high）或直流低电平（DC low）要求，或意外扭曲信号的目标频率成分。
最后要介绍的信号调理技术是去加重。去加重同样在信号路径的发射端工作，通过频率选择性衰减数据内容来实现效果，与预加重呈互补关系——去加重会相对削弱波形平坦部分的能量，同时保留边沿部分的能量。
上方波形示例展示了去加重的效果：去加重会将包含多个连续比特的符号的直流电平衰减至低于VH（或高于VL）的水平。这种处理有助于提升信噪比，并使接收端更清晰地识别信号中的高频成分。
与预加重类似，在眼图中识别去加重也需仔细观察。对比上方“无去加重的基准眼图”（在发射端直接测得）与下方“施加去加重的眼图”，可发现关键差异：基准眼图中，不同符号对应的VH和VL电平几乎无波动，交叉点无变化；而施加去加重后的眼图中，所有构成眼图的符号均出现波动，边沿存在变化。识别去加重的关键是观察：信号边沿跳变是否低于预期的VH（或高于预期的VL），以及上升时间是否略有增加（或无变化）。通常情况下，去加重不会增加抖动，也不会影响交叉点。
若进一步增加去加重程度，眼图变化会更显著：此时过多的去加重会导致双带效应，可能使实测眼高减小，或意外扭曲信号的目标频率成分。
