PCIe物理层_CTLE(continuous time linear equalizer)

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1.CTLE(continuous time linear equalizer) 的作用  

信号在介质的传输过程中存在趋肤效应(skin effiect)和能量损耗,在接收端数据会存在失真,并且呈现出低通特性。什么意思呢?就是低频率的信号衰减幅度小,高频率的信号衰减幅度的大。例如串行信号010101就是高频的信号,串行信号00000111110000011111就是相对低频信号。信号衰减不是问题,信号在不同频率下衰减幅度不一致才是主要问题。其典型特征是信号电压幅度明显变小,信号跳变沿平缓。如图1所示,在发送侧,信号跳变很快,眼图质量很好,经过介质传输后到低接收端,在接收端信号跳变变得很平缓,眼图已经闭合。

CTLE核心目标是从接收到的信号中去除不期望的频率分量,补偿有效频率分量,从而获得更好的信号质量,减少误码率。缺点:CTLE会增大部分高频噪声。

针对无效频率,CTLE会大幅度降低信号电压幅度,从图5、6、7中可以看到,越远离中心频点,数值越来越小。

针对有效频率,CTLE尽量补齐高频信号和低频信号的差异,从而降低不同频率衰减幅度差,尽量使得不同频率信号的衰减程度趋于一致,即高频信号直流增益大,低频信号增益小。从图5、6、7中可以看到,越靠近中心频点直流增益(DC gain)数值越大。

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图1:高频信号衰减

如图2所示,红色虚线为不同高频率信号的通道损失曲线,蓝色虚线为不同高频率信号CTLE增益曲线,绿色实线为接收侧经过CTLE处理后的不同高频率信号的通道损失曲线。从图中可以看出经过CTLE处理后,大部分频率的信号损失保持在一个稳定的水平。   

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图2:channel Loss与CTLE 示意图

图3和图4是使用软件模拟出来的接收侧信号眼图,图3为在CTLE处理之前信号眼图,可以看出模糊一片,眼睛闭合。图4为经过CTLE模块处理后的信号眼图,可以看出信号质量明显提升,眼睛已经张开。

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图3:接收侧CTLE处理之前信号眼图

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图4:接收侧CTLE处理之后信号眼图

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图4-2:RX 侧EQ处理结构图(来自知乎老狼)

图5、图6、图7分别展示了8.0 GT/s、16.0 GT/s、32.0 GT/s场景中,CTLE行为的损失曲线,图形横轴为信号频率,纵轴为直流增益(DC Gain)。

从图中可以看到,8.0 GT/s、16.0 GT/s场景中,增益是负值,即CTLE都是降低了所有频率信号的电压幅度,频率越靠近奈奎斯特频率,电压降低幅度越小。32.0 GT/s场景中,由于高频信号在传输过程中,损失过大,因此在奈奎斯特频率附近,信号增益是正数值。   

针对特定的Serdes速率,其串行信号的有效频率范围是有限制的,其最低频率(最多出现的连续 0或1 的数量)收到scramble和编码方式限制,其最高频率(每个UI都会进行翻转,即010101的方式传输数据)收到Serdes速率限制。在有效频率范围之外的信号,属于噪声,期望增益为负值,且增益数值越小越好。

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图5:Loss Curves for 8.0 GT/s Behavioral CTLE(1th order)

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图6 Loss Curves for 16.0 GT/s Behavioral CTLE(1th order)    

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图7 Loss Curves for 32.0 GT/s Behavioral CTLE(2th order) 

2.参考文档   

PCI Express® Base Specification Revision 5.0 Version 1.0

https://zhuanlan.zhihu.com/p/48343011

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