2 插入损耗和均衡

为了理解均衡，首先讨论插入损耗会有所帮助。电磁波的物理性质在高频下会变得复杂。电磁波在通过有损耗介质时会出现衰减，但衰减量（称为插入损耗）同时取决于介质的特性和波的频率。高频数据信号必须包含重要的高频分量。例如，在通过铜线或布线时，高频分量可能比低频分量发生更多的衰减，从而导致频谱不平衡，导致时域中的信号形状失真。

图 2-1 展示了长度为 5 英寸的 FR4 布线仿真模型的插入损耗示例：损耗从直流时为 0dB 开始，随着频率的增加而稳定增大。

图 2-1 5 英寸 FR4 布线的插入损耗示例

这种失真的主要特征之一是一种称为符号间干扰 (ISI) 的现象。通常情况下，信号边沿和急剧、快速转换由高频分量形成。当这些信号在一个符号序列中发生性能下降时，符号开始相互渗透，导致信号成形中的显著失真。如果接收器采样这些衰减的符号并且如果严重程度足以使得接收器根本无法理解输入，这可能会导致位错误 — 眼图可能会显示闭上的眼睛、只开了一道没有意义的缝隙来区分和解释信号，如图 2-2 所示。

图 2-2 ISI 严重的信号的眼图

通常，通过延长长度或增加数据速率来增加信号发送器和接收器之间的损耗会导致信号质量越来越低，直到出现某些无法保持可靠、无差错运行的限值为止。

由于数据通道中的损耗量是一个重要因素，因此必须能够方便地在系统级别测量或量化损耗。在信号完整性领域，元件的损耗通常是根据特定奈奎斯特频率下的特定 dB 插入损耗来测量的，该频率是符号速率的一半。原因是对于特定速率下的 PRBS 数据，绝大多数（超过 90%）信号能量集中在奈奎斯特频率或以下，因此，可将奈奎斯特频率用作必须认真考虑衰减问题的区域的上限。高于奈奎斯特频率的衰减仍会对信号产生负面影响，但影响的程度较小。

在 PCIe 中，PCIe Gen 5（32GT/s 数据传输速率）的奈奎斯特频率为 32GHz ÷ 2 = 16GHz。对于 Gen 4（16GT/s 数据传输速率）为 16GHz ÷ 2 = 8GHz。信号路径上元件在 16GHz 下的插入损耗数据示例为 -4dB，这意味着 16GHz 纯正弦波在通过元件后衰减了 4dB，该信息与 PCIe Gen 5 操作密切相关。对于诸如 PCIe 之类的差分协议，插入损耗可通过双端口 S 参数 S[D2, D1] 差模到差模增益计算得出。

虽然这种损耗引起的信号衰减对系统设计人员而言可能是一个主要问题，但这种衰减是可以修复的。理论上，频率响应为所施加损耗的数学倒数的元件能够恢复原始信号。损耗和元件的级联响应可以在所有频率上保持一致，从而保留原始信号的特性。这就是均衡的基本思想：有源器件可以执行频率选择性放大以抵消频率选择性损耗的影响。

图 2-3 显示了 DS320PR810 PCIe Gen 5 转接驱动器的 EQ 增强：正幅度和正斜率高达并超过 16GHz 意味着此类频率存在增益或放大，并且较强的 EQ 设置会增加斜率以补偿更多损耗。

图 2-3 DS320PR810 的 EQ 增强曲线

在实践中，这种恢复不可能完全完美，因为实际系统的介质和实际有源器件的行为都可能不理想。因此，均衡可补偿 插入损耗。经过处理的信号与原始预衰减信号可能存在一些不可避免的频谱和成形差异，但成功补偿会产生一个张开的眼图，表明信号接收器可以无错误地解读信号。

图 2-4 显示了通过转接驱动器后来自 图 2-2 的相同信号。

图 2-4 通过转接驱动器校正 ISI

因此，均衡是一种可恢复信号质量并实现更长 PCIe 链路的强大工具。