高速數(shù)據(jù)通道中，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器與重定時器如何選？

諸如轉(zhuǎn)接驅(qū)動器和重定時器這類信號調(diào)節(jié)技術(shù)在許多系統(tǒng)環(huán)境中都非常有用。但當數(shù)據(jù)速率超過10Gbps時，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器便不再適合許多應(yīng)用。在OIF/以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，重定時器已成為首選的信號調(diào)節(jié)器。在PCIe生態(tài)系統(tǒng)中，PCI4.0是轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的最后一搏，重定時器則可提供更好的解決方案。在USB生態(tài)系統(tǒng)中，USB4是一個轉(zhuǎn)折點，此時轉(zhuǎn)接驅(qū)動器已不是系統(tǒng)的最好選擇；而具有協(xié)議感知能力的重定時器則實現(xiàn)了所需的信號完整性，提供了穩(wěn)健、明確的發(fā)展線路以及低成本的系統(tǒng)解決方案，可以充分滿足消費者的需求。

六零年代，隨著電信數(shù)字載波系統(tǒng)T1和E1的出現(xiàn)，數(shù)字重定時器開始受到關(guān)注。這些系統(tǒng)在屏蔽雙絞線上承載多條語音電路信道，每隔幾千英尺需安裝一個數(shù)字重定時器。當時這些設(shè)備比較先進，它們采用的技術(shù)與現(xiàn)在的高速重定時器類似，包括均衡、時鐘數(shù)據(jù)恢復（CDR）、線路編碼和成幀。

對于每一種串行器/解串器（SerDes），總有應(yīng)用需要更長的連接距離。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器或重定時器芯片的典型應(yīng)用包括：

1. 到達大型PCB的最遠端
2. 使用額外的連接器
3. 支持子卡
4. 連接擴展架
5. 使用低端PCB材料
6. 允許擁有較短距SerDes的芯片支持需要較長距離SerDes的應(yīng)用
7. 增強設(shè)備功能

轉(zhuǎn)接驅(qū)動器和重定時器的比較

典型的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器數(shù)據(jù)通路包含連續(xù)時間線性均衡器（CTLE）、可變增益放大器（VGA）和線性驅(qū)動器。CTLE用于均衡信道中由頻率引起的損耗，VGA用于恢復信號幅度，線性驅(qū)動器則以適合的阻抗驅(qū)動信道。

轉(zhuǎn)接驅(qū)動器通常提供輸入信號損耗閾值和輸出接收器（Rx）檢測功能，同時還有一個靜噪檢測器，可以差分檢測低速信道上是否存在通信信號。圖1給出了典型的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的功能框圖。

圖1：典型的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器功能框圖，包括一個CTLE，用于均衡信道中由頻率引起的損耗；一個VGA，用于恢復信號幅度；一個線性驅(qū)動器，以合適的阻抗驅(qū)動信道。

模擬轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的局限

模擬轉(zhuǎn)接驅(qū)動器有三個主要缺點：

1.  轉(zhuǎn)接驅(qū)動器會放大信號及其內(nèi)部噪聲。發(fā)送器通過不可靠信道發(fā)送高信噪比（SNR）信號，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器中的CTLE和放大器都具有本底噪聲，當信號被放大時，這兩種本底噪聲會隨著信號一起增強。當接收器恢復數(shù)據(jù)時，必須與放大的噪聲抗衡，這減弱了轉(zhuǎn)接驅(qū)動器所具備的優(yōu)勢。

2.  轉(zhuǎn)接驅(qū)動器僅清除部分碼間干擾（ISI）。通帶中與信道頻率相關(guān)的損耗會在多個位時間內(nèi)對位產(chǎn)生干擾。CTLE可以均衡一部分ISI，但是CTLE永遠無法精確配置以完全糾正所有ISI，而不均衡的通帶紋波又會留下ISI。最后接收器不得不與這些殘留的ISI抗衡。

3.  轉(zhuǎn)接驅(qū)動器無法恢復眼寬和相關(guān)抖動。接收器具有良好的眼寬對于實現(xiàn)無差錯性至關(guān)重要。但很多因素都會降低眼寬，例如熱噪聲、偏移、模擬失調(diào)、上升/下降時間不匹配、終端失配、ISI和電源噪聲等。而轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的存在進一步加劇了這些因素的不良影響，使信號恢復更具挑戰(zhàn)性。

因此，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器之前和之后的完整鏈路長度不能得到利用，每個位置都必須采用較短的走線，以最大程度地降低附加噪聲、殘留ISI和狹窄眼寬造成的影響。由于這些問題，在所有可能的應(yīng)用中，系統(tǒng)開發(fā)人員都將承受巨大壓力，以了解和表征轉(zhuǎn)接驅(qū)動器對最終系統(tǒng)的復雜影響。

重定時器如何工作

典型的重定時器是一種混合信號模擬/數(shù)字器件，它具備協(xié)議感知能力，能夠提取嵌入式時鐘，完全恢復數(shù)據(jù)，并使用干凈的時鐘重新傳輸新的數(shù)據(jù)副本。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器中包含了CTLE、VGA和驅(qū)動級，而重定時器中則包含CDR電路、長尾均衡器（LTE）和判決反饋均衡器（DFE）。

LTE用于補償長期脈沖響應(yīng)受損，DFE則作為非線性均衡器，抑制由高頻損耗和陷波之類的信道缺陷而導致的ISI。

另外，內(nèi)部數(shù)字邏輯、狀態(tài)機和/或微控制器用于管理CTLE、VGA、LTE和DFE塊的自動適配，并實現(xiàn)協(xié)議鏈路訓練和狀態(tài)更新。圖2給出了典型的重定時器功能框圖。

圖2：轉(zhuǎn)接驅(qū)動器中包含CTLE、VGA和驅(qū)動級，典型的重定時器則包含CDR電路、LTE和DFE。

簡而言之，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器僅放大信號，而重定時器則可完全恢復數(shù)據(jù)并發(fā)送全新的數(shù)據(jù)副本。圖3對此進行了圖形表述，顯示了被衰減的眼開放（eye opening）如何被轉(zhuǎn)接驅(qū)動器增強，以及如何由重定時器完全重新生成。

圖3：經(jīng)信道衰減的眼圖（左）、通過轉(zhuǎn)接驅(qū)動器后的眼圖（中）和通過重定時器后的眼圖（右），顯示出轉(zhuǎn)接驅(qū)動器對信號的增強，以及重定時器對信號的重新生成。

重定時器必須具備協(xié)議感知能力，才能實現(xiàn)信號的重新生成。它監(jiān)視鏈路配置事務(wù)，并將自身設(shè)置為正確的模式。在某些情況下，重定時器也會參與鏈路設(shè)置。由于采用了這些自動步驟，因而無需手動調(diào)整具體的信道、線纜和波形因數(shù)，以更高數(shù)據(jù)速率進行系統(tǒng)集成也變得更加簡單。

符合高速接口規(guī)范的重定時器

業(yè)界近日頒布了一系列較難實現(xiàn)的高速SerDes規(guī)范，包括USB4、PCIe5.0、CEI-28G和CEI-56G規(guī)范，以及仍在開發(fā)階段的PCI6.0和CEI-112G規(guī)范。這些新標準旨在滿足不斷提高的數(shù)據(jù)吞吐量需求。

二十多年來，光互聯(lián)論壇（OIF）和IEEE 802.3以太網(wǎng)委員會已聯(lián)合發(fā)布了八代SerDes及前期規(guī)范。針對每一代SerDes規(guī)范，供應(yīng)商都開發(fā)出了兼容多種協(xié)議的比特級重定時器產(chǎn)品，促進了系統(tǒng)制造商的產(chǎn)品開發(fā)。

這些SerDes技術(shù)和相應(yīng)的重定時器已被采用并產(chǎn)生了廣泛的影響，其應(yīng)用領(lǐng)域包括電信、以太網(wǎng)、Interlaken、RapidIO、串行高級技術(shù)附件（SATA）、串行連接小型計算機系統(tǒng)接口SAS、光纖通道、InfiniBand，以及眾多專有系統(tǒng)。但轉(zhuǎn)接驅(qū)動器芯片在OIF/以太網(wǎng)系列生態(tài)系統(tǒng)中從未得到廣泛應(yīng)用，這是由于鏈路的設(shè)計通常更精細，耗盡了鏈路資源。

PCI Express（PCIe）是一種高速串行計算機擴展總線標準。它是個人計算機圖形卡、硬盤驅(qū)動器、SSD、Wi-Fi和以太網(wǎng)硬件連接的標準主板接口。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以完全滿足PCIe3.0規(guī)范，數(shù)據(jù)速率達8Gbps/通道。而PCIe4.0將速率提高了一倍，達到16Gbps/通道，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器也盡力滿足其速率要求，為系統(tǒng)實施者帶來了好處。

2019年5月，PCI-SIG標準機構(gòu)正式發(fā)布了PCIe5.0規(guī)范，其數(shù)據(jù)通道運行速率高達32Gbps。速率不斷提高，對擴展能力的需求也不斷增加，PCIe轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的發(fā)展似乎已經(jīng)到頭。在即將推出的PCIe6.0標準中，PAM4的脆弱甚至使設(shè)計者放棄采用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器。

再來看通用串行總線（USB），它是計算機、外圍設(shè)備和其他計算機之間的行業(yè)接口標準。USB1.0于1996年發(fā)布，USB2.0隨后于2000年發(fā)布。即便USB-IF未將轉(zhuǎn)接驅(qū)動器標準化，但轉(zhuǎn)接驅(qū)動器在擴展連接和電壓兼容性方面所具有的優(yōu)勢仍使其不可或缺。

2010年，隨著USB3.0的發(fā)布，USB的信號完整性問題變得更加明顯，這推動了轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品投放市場，以便擴展Superspeed 5Gbps鏈路連接。USB3.1和Superspeed+10Gbps鏈路延續(xù)了這一趨勢。USB3.2規(guī)范通過USB-C連接器將USB3.0中的單通道模式擴展為雙通道，進一步促進了轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的應(yīng)用。

USB-IF于2019年8月正式發(fā)布了USB4規(guī)范，將鏈路性能進一步提高到了20Gbps/通道（雙通道達到40Gbps）。20Gbps信號較之前脆弱很多，更容易受到ISI、通帶紋波、抖動源、模擬失調(diào)、終端失配、對內(nèi)偏移、反射、熱噪聲和電源噪聲的影響。結(jié)果，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器應(yīng)用于USB的時代又將終結(jié)。

更新的高速互連規(guī)范將推動新一代信號調(diào)節(jié)解決方案的發(fā)展。數(shù)字重定時器是在極具挑戰(zhàn)的信道上發(fā)送超高速數(shù)據(jù)同時保持信號完整性的關(guān)鍵因素。當速率高于10Gbps時，使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器將面臨許多困難，因此，業(yè)界期望推進重定時器的使用，并將其寫入了最新規(guī)范。

作者：Brian Holden，Paul Wilson

（本文授權(quán)編譯自EDN英文網(wǎng)站，原文參考鏈接：Why is a retimer required for high-speed data channels?，由Jenny Liao編譯）

本文轉(zhuǎn)載自《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站