HSD 基础(一&二)

High-Speed Links Circuits and Systems

第一章

背景介绍

高速串口 I/O

典型处理器平台：

处理器 $\rightarrow$ 存储单元：DDR4
处理器 $\rightarrow$ 外围设备：PCIe & USB
硬盘接口：SATA
网口：LAN

MIPI（移动产业处理器接口）

定义
- MIPI（Mobile Industry Processor Interface）是移动产业处理器接口联盟推出的接口标准。它旨在为移动设备中的不同组件之间提供高效、低功耗、低成本的连接解决方案。
作用
- MIPI标准涵盖了多个接口规范，用于连接处理器、摄像头、显示屏、存储设备等组件。通过统一的接口标准，使得不同厂商的组件能够更好地兼容和互操作，促进了移动设备硬件生态系统的发展。

DSI（Display Serial Interface）

定义与在MIPI中的角色
- DSI是MIPI联盟定义的一种用于连接显示设备（如LCD、OLED屏幕等）与处理器或其他显示控制器的串行接口标准。
功能特点
- 它采用差分信号传输数据，具有高速、低功耗的特性。DSI可以将显示数据（包括图像数据、控制信号等）从处理器高效地传输到显示设备，并且支持多种分辨率和刷新率的显示需求。在移动设备中，由于空间有限且对功耗敏感，DSI接口能够在满足高清显示要求的同时，降低设备的功耗和布线复杂度。

CSI（Camera Serial Interface）

定义与在MIPI中的角色
- CSI是MIPI联盟制定的用于连接摄像头传感器与处理器或其他图像信号处理单元的串行接口标准。
功能特点
- CSI接口能够高效地传输摄像头采集到的图像数据，支持多种数据格式（如RAW、YUV等）和不同的帧率。它采用差分信号传输，具有较高的数据传输速率和抗干扰能力。在移动设备中，CSI接口使得摄像头模块可以方便地与主处理器集成，实现拍照、录像等功能，并且有助于减小设备的尺寸和功耗。

UniPro

定义
- UniPro（Universal Protocol）是一种通用的通信协议。在移动设备领域，它是一种用于在不同芯片或模块之间进行高速数据传输和通信的协议。
与其他技术的关系及特点
- UniPro可以与MIPI等接口技术协同工作。它提供了一种灵活的、可扩展的通信框架，能够适应不同的应用场景和设备需求。UniPro协议支持多种传输模式和数据类型，并且在功耗管理、数据完整性和传输效率方面有一定的优化措施，有助于提升移动设备内部组件之间的通信性能。

数据中心链路

不同的互连技术用于跨越不同的距离。
电 I/O 接口
- 芯片 $\rightarrow$ 模块
- 机架内部跳线
光 I/O 接口
- TOR（Top of Rack）交换机 $\rightarrow$ 边缘交换机
- 跳线

提升 I/O 带宽的需求是无止境的。从NRZ（PAM2） $\rightarrow$ PAM4依靠牺牲空间（多级判定，噪声容限）换取时间（信号带宽）

高速串行电链路（SerDes）

电背板通道

背板模型

需要考虑色散，反射与损耗
通道串扰，包括远端串扰（FEXT）与近端串扰(NEXT)

通道响应

通道响应的损耗随频率不断增大，Refined 代表用背钻技术去除了过孔头（via stub），Legacy 则没有。
在机械、电子和工程领域，双引号（"）一般代表英寸（inch），而单引号（'）代表英尺（foot）。例如：
- 17" = 17 英寸
- 6’2" = 6 英尺 2 英寸
脉冲响应，输入理想脉冲经过系统变换后的输出。如果系统为线性系统 LTI，则输入的任何信号都能表示为理想脉冲线性叠加，并在输出端得到以对应脉冲响应线性叠加的结果。
脉冲响应图中的时间单位为码元时间间隔（UI），理想脉冲响应仅在 0 时刻，也就是 Cursor 处存在电压值，其余时间电压均为 0。在 0 时刻之前可以存在多个 Pre-cursor，0 时刻之后可以存在多个 Post-cursor，用以标记特定时间点，并显示对应的幅度。用户可以通过移动 Cursor 来实时调整均衡器的参数，观察对信号的影响。在这里由于理想脉冲的退化，导致波形拖尾到下一个码元，就会产生码间干扰 ISI。前馈均衡器 FFE 的作用是通过将信号按照不同时延抽头，乘以特定权重后叠加，从而补偿信号拖尾，降低 ISI。
每个 Cursor 对应一个 tap，也就是抽头。以码型发生器能够实现的 4 tap De-emphasis 为例，就包含一个Pre-cursor，2个 Post-cursor 以及一个 Cursor。Tap 在均衡器中通常指自适应均衡器（Adaptive Equalizer）的权重系数（Weight Coefficients）或 FIR 滤波器的系数。在时域均衡（如线性均衡器、判决反馈均衡器）中，Tap 代表均衡器对不同延迟路径信号的调整能力。
Tap 在均衡器中的作用
- 自适应均衡：
  自适应均衡器（如 LMS、RLS 算法）通过调整 Tap 权重来补偿信道失真（如多径效应、码间干扰 ISI）。每个 Tap 对应一个时间延迟的信号分量。
- 多径补偿：
  在无线通信中，信道的脉冲响应可能包含多个 Tap（多径分量），均衡器通过调整这些 Tap 的权重来抵消干扰。
- FIR 滤波器设计：
  在数字均衡器中，Tap 相当于 FIR 滤波器的系数，用于调整不同频率成分的增益。

第二章

通道（Channel）的组成部分

IC 封装

Small Outline Package (SOP):8 - 56 pins
Quad Flat Package (QFP)：64 - 304 pins
Plastic Ball Grid Array (PBGA)：256 - 420 pins
Enhanced Ball Grid Array (EBGA)：352 - 896 pins
Flip Chip Ball Grid Array (FC-BGA)：1089 - 2116 pins

几种常见的 IC 封装

标准引线封装：用的最多最常见

先用引线将 die 和 trace 相连，然后用树脂涂覆，trace 连通底部焊球，与背板进行电气连接。
倒置引线封装：

将引线一面倒置，大规模集成 LSI 芯片背部贴上一个散热片。
倒置焊球封装：

不用引线了，直接倒置在玻璃陶瓷薄膜上通过 Bump 进行电气连接，并在外加了个金属盖子Lid，盖子和芯片之间通过散热材料进行散热。

PCB 电路板

器件焊接在顶部和底部
板子通常由 4 - 8 层信号层，以及相同数量的电源和接地层
背板能有超过 30 层。

PCB 叠层

信号通常在顶层或底层
接地/电源层成对，信号层对可在板子内部
典型的铜走线厚度：
- 信号层：0.5 oz （17.5 um）
- 电源层：1 oz （35 um）

连接器（Connectors）

用于信号的板间传输
差分信号对密度介于 16 - 32 对/10 mm
维持合适的连接器差分阻抗非常重要
串扰对于连接器来说是一个重要指标

过孔（Vias）

用于连接 PCB 板子的不同层
通过在板子上钻孔并涂覆铜箔实现
- 桶体（Barrel）外通过焊盘（Pad）连接信号层/走线
- 利用通孔回避电源层
在信号密度和完整性方面成本高昂
- 占用多条布线轨道
- 通常阻抗较低并产生无用线头

PCB 走线结构

微带线（Microstrips）是 PCB 外表面的信号走线
- 走线没有被隔离，对串扰敏感
带状线（Striplines）是 PCB 的内部走线，夹在两个平行接地层之间
- 相对微带线的信号隔离程度更好

传输线模型

电阻模型

传输线电阻由材料电阻系数和几何结构决定
造成信号的损耗和传输延迟
数学模型：

$R=\rho\cdot\frac{l}{A}$

电容模型

电容的定义式为
$C=\frac{Q}{U}$
物理意义为单位电压下的电荷量

电感模型

电感的定义式为
$L=\frac{\varPhi}{I}$
物理意义为单位电流下的磁通量

考虑瞬时电感

$L = \frac{d\varPhi}{dI}=\frac{d\varPhi}{dt}\cdot\frac{dt}{dI}\quad\Rightarrow\quad U=\frac{d\varPhi}{dt}=L\cdot\frac{dI}{dt}$

传输线理论

对于正弦波，电报方程可以化简为

$\begin{aligned} \frac{dV(x)}{dx}&=-(R+j\omega L)I(x)\\ \frac{dI(x)}{dx}&=-(G+j\omega C)V(x) \end{aligned}$

对式子再次微分并带入另一式

$\begin{aligned} \frac{d^2V(x)}{dx^2}&=\gamma^2V(x)\\ \frac{d^2I(x)}{dx^2}&=\gamma^2I(x) \end{aligned}$

其中的 $\gamma$ 为传播常数

$\gamma=\alpha+j\beta=\sqrt{(R+j\omega L)(G+j\omega C)}\quad(\mathrm{m}^{-1})$

传输线阻抗

对于无穷长传输线，阻抗为电压与电流的比值，该值为

$Z_0=\frac{V(x)}{I(x)}=\sqrt{\frac{R+j\omega L}{G+j\omega C}}\quad(\Omega)$

驱动一终端负载为 $Z_0$ 的传输线，与驱动一无穷长终端负载 $Z_0$ 的传输线等价
无损传输线有 $Rdx=Gdx=0$ ，则

$\begin{aligned} \gamma&=\alpha+j\beta=j\omega\sqrt{LC}\\ \alpha&=0\\ \beta&=\omega\sqrt{LC} \end{aligned}$
信号波传播无失真
- 速度与阻抗与频率无关
  
  $v=\frac{\omega}{\beta}=\frac{1}{\sqrt{LC}}$
- 阻抗为纯实数
  
  $Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}$

低损耗传输线

当 $R/\omega L$ 与 $G/\omega C\ll1$
- $\begin{aligned} \gamma&=\alpha+j\beta=\sqrt{(R+j\omega L)(G+j\omega C)}\\ &\cong j\omega\sqrt{LC}\left(1-j\frac{RC+GL}{\omega LC}\right)^{\frac{1}{2}}\\ &\cong\frac{R}{2Z_0}+\frac{GZ_0}{2}+j\omega\sqrt{LC}\left[1+\frac{1}{8}\left(\frac{R}{\omega L}\right)^2+\frac{1}{8}\left(\frac{G}{\omega C}\right)^2\right]\\ &=\alpha_R+\alpha_D+j\beta \end{aligned}$
- $\begin{aligned} \alpha_R&\cong\frac{R}{2Z_0}\\ \alpha_D&\cong\frac{GZ_0}{2}\\ \beta&\cong\omega\sqrt{LC}\left[1+\frac{1}{8}\left(\frac{R}{\omega L}\right)^2+\frac{1}{8}\left(\frac{G}{\omega C}\right)^2\right] \end{aligned}$
  
  其中 $\alpha_R$ 为电阻损耗， $\alpha_D$ 为介质损耗， $\beta$ 为传播常数，波速为
  
  $v\cong\frac{\omega}{\beta}=\left(\sqrt{LC}\left[1+\frac{1}{8}\left(\frac{R}{\omega L}\right)^2+\frac{1}{8}\left(\frac{G}{\omega C}\right)^2\right]\right)^{-1}$
  
  电阻损耗由导体趋肤效应引起，介电损耗由电介质吸收引起，两者都随频率而上升，但却是以不同的速率
对于导体的趋肤效应，电流密度 $J$ 和趋肤深度 $\delta$ 满足

$J=\exp(-\frac{d}{\delta})\quad\delta=\frac{1}{\sqrt{\pi f\mu\sigma}}$

则频率为 $f$ 时的电阻

$R(f)=\rho\cdot\frac{l}{A}=\frac{l}{\sigma\cdot2\delta w}=\frac{\sqrt{\pi\mu\sigma}}{\sigma\cdot2 w}\sqrt{f}$

若趋肤深度为二分之一板厚度时，电阻为 $R_{DC}$ ，频率为 $f_s$ ，则

$\begin{aligned} R(f)&=R_{DC}\left(\frac{f}{f_s}\right)^\frac{1}{2}\\ \alpha_R&=\frac{R_{DC}}{2Z_0}\left(\frac{f}{f_s}\right)^\frac{1}{2} \end{aligned}$

将 $R_{DC}$ 与 $f_s$ 作为材料参考属性，则传输线电阻损耗随频率的二分之一次方线性变化
介电损耗用损耗正切来表示

$\tan\delta_D=\frac{G}{\omega C}$

则介电损耗可以表示为

$\alpha_D=\frac{GZ_0}{2}=\frac{2\pi fC\tan\delta_D\sqrt{L/C}}{2}=\pi f\tan\delta_D\sqrt{LC}$

因为损耗正切为材料的属性，因此传输线介电损耗随频率的一次方线性变化

传输线反射

信号发射端在信号抵达接收端之前，等效回路可认为传输线另一端接地

输入端传输线的传输电压为传输线的负载分压

$V_i(x,t)=\left(\frac{Z_0}{Z_0+R_0}\right)V_T\left(t-\frac{x}{v}\right)$
信号在传输线中未传递到负载时，对于接收端，负载电压为0，可认为此时接收端接地，负载上电流为0。当信号抵达负载时，传输线上电流降低，负载上电流升高。根据物质守恒定律，传输线减小的电流量应该等于负载上增加的电流量与传输线反射的电流量之和，由此便可得到电流和电压反射系数

端接方案

发射端和负载端都可以做端接，端接就是在发射端或负载端接一个负载。这里要注意的是，发射端端接为串联，接收端端接为并联。这是因为发射端压控信号接上与传输线并联的负载，跟直接接传输线无任何区别，接收端则需要并联一个接地负载构成回路，检压信号检测的是接地负载的分压。

无端接

相当于把信号给短路了，本质是构成了一个谐振腔。想要让信号产生谐振，就得让信号的上升沿时间（变化时间）大于信号的往返时间。

源端接

信号分两步上升，可用于点对点信号传输的速率调制

接收端端接

接收端无反射，需要注意中间的阻抗不连续

双端端接

优化反射最好的结构，让反射信号在发射端和接收端被完全吸收，但相对于单端端接仅能得到一半的摆幅（Swing），该结构也是高性能串行通信最常见的端接方案

差分信号

差分信号的优势

自参考
抑制共模噪声
提高信号摆幅
降低自感功馈噪声
相对于单端信号，需要两倍数量的信号引脚
- 但是有更小的功馈/信号引脚比
- 总体引脚比为 1.3 - 1.8 x

奇模式和偶模式

偶模式
- 当相同的电压同时驱动两条传输线，仅有一个模式传输，该模式为偶模式
奇模式
- 当两条传输线驱动电压的幅值相同，相位相反，仅有一个模式传输，该模式为奇模式
对于一个差分信号对（奇模式），在导体间存在一个虚拟参考面提供回路
- 电场方向垂直于虚拟参考面
- 磁场方向与虚拟参考面相切

平衡传输线

平衡传输线模型

平衡传输线阻抗

$\begin{aligned} Z_{even}&=\left(\frac{L+M}{C_c}\right)^{\frac{1}{2}}\\ Z_{odd}&=\left(\frac{L-M}{C_c+2C_d}\right)^{\frac{1}{2}} \end{aligned}$

平衡线路的原理

外部信号源往往只会在线路上产生共模信号，而对地的平衡阻抗能最大限度减少杂散电场引起的差分信号拾取。导线有时会绞合在一起，确保每根导线均匀暴露在可能引起噪声的外部磁场中。

假定外部存在一个噪声源，该噪声源导致两根信号线中的信号相对理想幅值发生了一定程度的偏离。若该线路为非平衡线路，则两路信号偏离的程度不一定相同，由此引入了差分噪声。若该线路通过平衡手段使两路信号产生相同的偏离，则该两路信号的差分噪声就能被消除，接收端提取的差分信号能保证更高准确度和完整性。

平衡线路与差分信号经常一起使用，但它们不是一回事。平衡线路可以消除差分噪声，差分信号仅表示传输信号具有对称性，即幅度相等但极性相反。差分信号不会使线路平衡，平衡线路中噪声抑制也不一定需要差分信号。

偶模式（共模）激发
- 有效电容 $C=C_c$
- 有效电感 $L=L+M$ , $M$ 为互感
- 共模阻抗 $Z_{CM}=\frac{Z_{even}}{2}$
奇模式（差模）激发
- 有效电容 $C=C_c+2C_d$
- 有效电感 $L=L-M$ , $M$ 为互感
- 差模阻抗 $Z_{DIFF}=2Z_{odd}$