标准是优化高速数据总线通信的关键

标准是优化高速数据总线通信的关键

     模拟和混合信号产品设计师经常面临的任务是，为发送二进制数据选择和优化接口。虽然数据传输功能对产品的中心目的而言可能是次要的，但在互连日益盛行的世界中，大部分客户期望有一种可靠且高效的方法将新产品互相连在一起。
    
     在就高速通信的解决方案做出任何决定之前，设计师应该确定最终应用的相关需求与限制。它们包括：数据速率、系统可靠性、所有元件的成本、邻近的相连节点和端点之间的距离、以及连通性，即工作模式(单工或双工)和互连的拓扑结构(菊花链、星形或环形)。
    
     需要注意的是，在某个应用中被视为“高速”的互连在另一个应用中可能被认为是慢速的。数据通信所需要的速率取决于连接到网络上的节点数、支持每个节点所需的数据、节点之间允许的数据延迟时间、以及为将来升级所做的预留。
    
     数家机构正在积极地制订和维护数据总线通信标准。它们包括：IEEE、电信工业协会/电子工业协会(TIA/EIA)和国际电信联盟(ITU)。数家贸易组织现在正努力推广特定的总线标准和一系列被广泛认可的、涵盖了各种需求的现有数据总线标准：RS-232、RS-485、CAN、TIA/EIA-644 (LVDS)和IEEE 1394(FireWire)。
    
     除非出于高于一切的原因而被迫开发专有解决方案，否则设计师将受益于使用现有标准的优势：可互换性、现成的元件、已知的特性以及客户的易接受性。为任何特定应用选择最佳解决方案的第一步是调查最常用的标准。
    
     一旦选定了适当的标准，下一步是对总线设计进行优化，以便能在高速率下可靠地传输数据。每种有线传输标准可能有不同的工作范围，因此各个标准实际定义的“高”信号发送速率可能各不相同。
    
     随着信号发送速率的增高，电噪声效应变得更加突出，特别是在高频应用中。所有的电缆、印刷蚀刻线路、甚至元件引脚都可能像天线一样接收和辐射电子能量。天线的主要波长与基本频率是成反比的，因此，随着基本频率的增高，甚至相对较短的线长也会变成高效的天线，去辐射和接收电噪声。当波长是线长的4倍时，噪声耦合(磁场耦合与电场耦合)会达到实际的最大值。
    
     为减少由数据发送器产生的电噪声，基本频率不应超过应用的严格要求。这意味着，应该对信号转换的速率(转换率)加以控制以减少发射噪声。类似地，为了减少数据总线上接收到的电噪声，接收器的频率响应应该被恰好限制在有效数据的频率范围之内。
    
     对于任何电子数据总线网络，随着信号发送的时间与信号在总线上传播的时间变得不相上下，设计师必须考虑在节点和线路两端的终端阻抗效应。在总线特性阻抗中的任何不连续处都将会产生信号反射。如果所有反射(主和次)都发生在发送信号期间的转换阶段，那么它们可以被忽略。
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     但是，如果是在转换阶段完成之后信号发生显著变化，那么这些反射会降低信号裕度(与阀值相比)。与感应电噪声和信号衰减一样，反射也是造成误码的因素之一。
    
     有线介质的电特性所引起的信号失真至少在某种程度上可以在发送器或接收器进行补偿。这可以用来扩展数据发送的最大距离，和/或增加可用的信号发送速率。总线引起的主要信号失真效应是由线路阻抗导致的衰减以及由网络元件的电容导致的频率整形。
    
     与总线网络元件相关的电容会产生波整形效应，即有线信号失真，它会优先衰减高频信号。这会强制限制电压转换的速度，从而严重制约了信号发送速率。至少有两种现成的方法可以对此进行补偿，它们是：在发送器对信号进行预整形(突出，增强)，以及在接收器进行后整形(均衡)。
    
     预整形补偿是对信号应用一个整形函数，它会把波形中将被有线介质衰减的部分先放大。整形函数可以设计在时域中，在每次转换期间增强指定时间里的信号电压，或者它可以是一个频率函数，对那些被传输介质衰减得最多的频率部分进行放大。
    
     预整形的准备
    
     无论采用哪种方案，设计师都必须选择与连线特性匹配的预整形，这里假设的是，他们已经了解应用将采用的有线介质的长度和特性。采用预整形时的另一个问题是：得到的信号可能会超出应用标准所允许的信号电平，从而限制了与其它产品和应用的可互换性。
    
     在沿数据总线发送信号之前进行的预整形的效果是增强了驱动器端的信号，这可以直观地看到。原始信号的边缘得到了增强，从而补偿了有线介质上预期的高频损耗。如果已知连线损耗的准确特性，那么就可实现准确的补偿。在此，我们假设只对介质有近似了解，那么到达接收器的信号将近似于原始信号。增强信号的幅度可以超过原始信号幅度100%以上，这可能会不符合应用总线标准对信号电平的要求。
    
     后整形补偿是在接收器对信号应用整形函数，其目的是将信号恢复成原始发送的、未受有线介质影响之前的波形。
    
     同预整形一样，后整形函数必须与连线的频率衰减曲线近似相反。后整形是一种不准确的近似过程。频率响应是由连线的电阻和电容特性决定的。衰减信号到达接收器，然后应用后整形函数来恢复原始信号。如果知道通道的实际特性，那么可以采用与衰减相反的函数来实现准确的复原。对于连线RC值，两个复原信号A和B可能分别具有正负10%的近似误差。这些近似可产生复原信号，其中原始频率的大部分内容得到了恢复。
    
     与预整形方法一样，后整形的成功取决于对连线特性的准确了解。不过，这种方法的一个优点是: 发送的信号在总线上不会改变，因此无需背离已接受的标准。另一项好处是，在多接收器的网络上，可以针对每个接收器调整复原函数。对于分隔很远的节点来说，这允许在每个接收器优化信号复原，而预整形则必须向所有接收器发送相同的信号。此外，在接收器的后整形使得自适应整形方案成为可能，在其中，复原函数会根据应用总线标准进行调整以生成已知信号。
    
     数据总线的设计和优化必须与系统中任何其它部分的开发一样遵循相同的需求驱动方法。关键的问题是选择适当的工业标准以及确定应用对数据发送速率的需求和约束。节点的数目、数据延迟时间以及节点带宽将决定这些需求。约束将包括数据完整性、允许的误码率、功耗以及电磁干扰问题。
    
     良好的工程开发风格、正确的元件选型、适宜的介质规格、以及恰当的终端匹配将带给数据总线设计一个好的开始。当信号发送速率和连线长度必须超出典型值时，可以考虑一些高级技术，包括总线驱动器端的预整形以及总线接收器端的后整形。