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浅谈信号完整性和ReDriver

信号完整性

在讨论ReDriver之前,先说明信号完整性(Signal Integrity, SI)的相关背景。
电子信号在传输过程中(无线或有线)都会受到环境噪声干扰,信号功率也会随着传输距离衰减(signal attenuation)。
通信系统中用信噪比表达的信号的好坏:

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信噪比(dB)=10*log(信号/噪音)
  • 当信噪比大于设备接收灵敏度时,信号能被正常接收和解析(成逻辑0/1)
  • 当信噪比小于设备接收灵敏度时,信号被错误解析(错误的逻辑0/1)或者是根本解析不出信号(噪声完全淹没信号,接收端恒为0或1,没有信号变化)。

信号完整性(Signal Integrity, SI)一般指PCB电路中的电压信号的信噪比好坏。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收器,则该电路具有较好的信号完整性。反之当信号不能正常响应时,就出现了信号完整性问题。一般通过眼图观测信号完整性好坏。

信号完整性在高速电路更容易出问题,表现为信号有传输延迟和时序错误、电路串扰(电容性、电感性串扰)等。

高速信号的PCB电路设计和信号完整性密切相关,例如下图是PCB使用FR4材料和Megtron6材料,信号-频率函数显示衰减度不同。

Attenuation versus Frequency as a function of PCB material

ReDriver

Redriver能减弱信号在远距离、高噪声环境的传输中的信号完整性问题对接收端的影响。

Redriver类似通信系统中的基站,其接收传输线路中的信号,重新生成原始信号,再转发给远端设备;其输出信号基本和原始信号完全一致以保证接收端能正常解析信号。

(1)PCIe redriver

以典型的高速信号PCIe接口为例,其使用Redriver和Retimer提高信号完整性,参考:Choosing the Right Redriver or Retimer Device to Extend PCIe Protocol Signal Range

其RX, EQ接收PCIe信号源的TX, EQ信号,redrive生成原始信号后再从TX, EQ发送给接收端。

Single lane redriver block diagram

(2)USB redriver

以多层子设备结构的USB接口为例,其使用Redriver提高子USB host的驱动能力,参考 信号完整性 - ReDriver/ 信号中继器 / 调节器

redrivers application2

(3)SD redriver

即使是较低速的SD接口(MB/s级别)也有PCB设计和传输距离引起的信号完整性问题,也需要redriver解决。

如下SD redriver接收SD host的几个信号并重新生成:SD clock, SD cmd, SD data, Vdd power。

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