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参考书籍：《PCI.EXPRESS系统体系结构标准教材 Mindshare》    

参考文章：https://www.eetop.cn/measurement/6948203.html

 电气物理层

        前面章节讲的是物理层的逻辑层面，本章节开始将物理层的电气层面。电气层面主要包括时钟、电平、眼图、阻抗、损耗、功耗、均衡等电气特性或技术，这里主要讲一下均衡技术，其他内容大家自行查阅规范。

 发送端均衡

        发送端均衡采用前向反馈均衡器（Feed forward Equalizer，FFE），分为预加重和去加重。这两个加重的概念大家应该不陌生了，这里不赘述，当前serdes发送端一般都采用去加重而不是预加重，我认为有以下几个考量：

        1、预加重是有意增强信号跳变沿的信号幅度，增高高频分量，去加重是降低跳变沿之外的信号幅度，削弱低频分量，很显然预加重的功耗会大一点。

        2、在经过连续相同电平的码元传输后，电容被持续充电，当下一个码元要翻转到相反电平时，这个翻转就可能无法达到目标电平，造成接收端错误。当然这种连续相同电平码元传输的情况已经通过编码、加扰等手段大概率避免了。

        3、预加重增高高频分量，其对外辐射的能量更大，更容易引起串扰。

        4、将信号放大的成本高于将信号减小的成本。

        PCIE2.0及1.0的去加重规则是，信号发生跳变后，第一比特不做去加重，若当前比特与前一比特相同，进行去加重，如下图所示：

        PCIE 1.0是-3.5dB去加重，PCIE 2.0有-3.5dB和-6dB两种可选，为什么2.0多了一个去加重更多的-6dB的选择呢，很好理解，输出速率提升了嘛，高频衰减更严重了，所以要把高频分量的比例提的更高点。在到PCIE 3.0之后，速率更高了，需要采用更加复杂的去加重技术，一般理解为，即除了跳变bit增⼤（这个增大指的是相对后面的相同电平比特而言）幅度发送（De-emphasis）以外，在跳变bit的前1个bit也要增大幅度发送，这个增⼤大的幅度通常叫做Preshoot，很好理解，增加preshoot的目的是为了进一步增加信号跳变时的高频分量。

        PCIE 3.0到5.0的发送端预加重，使用的是一个三抽头FIR滤波器，6.0的用的是四抽头的，这里我们把原理图都贴出来，只分析三抽头的，四抽头大家自行查阅5.0规范，在8.3.3.2章节。

 

        三抽头FIR均衡器如上图所示，该均衡器有三个输入，分别为当前发送比特、前一比特及后一比特，这三比特信号按照一定权重相加后作为输出，输出表达式如上图中下部。 其中，下一比特、当前比特及前一比特的权重系数 C-1、C0、C+1分别称为FIR方程的Pre-cursor、Cusor及Post-cursor系数。Pre-cursor又称Pre-shoot系数，Post-cursor又称去加重系数。收发端在均衡过程中调整这三个系数的值，来获得最佳传输性能。Pre-cursor、Cusor及Post-cursor 系数满足的规则在上图中下部也写了，一般只要设定Pre-cursor和Post-cursor系数，Cusor系数可以根据约束规则算出来。

        为实现粗粒度的发送均衡参数调节，PCIe3.0规范定义了11组FIR均衡器Preset 值，编号为P0~P11。在收发端均衡之初交换Preset编号即交换了一组FIR均衡器的系数。各组 Preset的编码、Pre-shoot、De-emphasis、Pre/Post-cursor及各种电平比率如下表所示：

        上面的注释中full swing mode一般指的是正常工作模式链路信号摆幅，reduced swing mode指的是低功耗模式的信号摆幅。

        上表中的P0、P1两种Preset就是PCIE 1.0和2.0用的de-emphasis值，可以看到表中的preshoot为0，C-1系数为0。另外，P4这种C-1、C+1系数均为0，C0为1的preset，可以理解为FIR均衡器数据前后没有变化（这种Preset一般用来间接测量各种Preset下Va和Vc的电平）。简单理解就是，通过设置C-1、C+1为0可以关闭De-emphasis和Pre-shoot；若不考虑前一比特的影响，则设置C+1为0，则关闭了去加重；若不考虑后一比特的影响，则设置C-1为0，就关闭了Pre-shoot（有些文章翻译为前冲）。

        那de-emphasis、Pre-shoot和boost的幅度怎么量化衡量的呢？毫无疑问就是通过不同的电平比值来衡量。我们看到上表中有Va、Vb、Vc、Vd四种电压，这是由于某个bit的前后bit的不同0、1场景，对应了4中不同的预加重电平调整结果，结合下图说明：

        举个Preset=P7的例子：当前比特为1，C+1=-0.2，C0=0.7，C-1=-0.1：

        连续3比特为011，输出电压为-C+1+C0+C-1=0.8，对应图中Va，称为Normal电平。

        连续3比特为111，输出电压为C+1+C0+C-1=0.4，对应图中Vb，称为De-emphasized电平。

        连续3比特为110，输出电压为C+1+C0-C-1=0.6，对应图中Vc，称为Pre-shoot电平。

        连续3比特为010，输出电压为-C+1+C0-C-1=1.0，对应图中Vd，称为Maximum-height电平，可以简单理解为不经过FIR均衡器发送端的正常摆幅。

        有了以上四种电平，就可计算出去加重、Pre-shoot及Boost幅度，表示为：

 

        若不加限制，那么C-1、C0、C+1形成的组合非常之多。但并不是所有的组合在实际应用中都是合适的。其中一个最重要的约束条件就是：去加重电压Vb不能过小，过小的去加重电压会导致输出信号在接收端的眼高过低。因此通过BOOST比值对去加重地电压幅值进行限制：对于full swing mode的Tx输出，规范要求BOOST≤9.5dB；对于reduced swing mode的Tx输出，规范要求BOOST≤3.5dB。系数的具体要求如下：

        1、系数必须支持上面的preset表中定义的所有11个预设值及其各自的公差；

        2、所有Tx必须满足Full-swing信号VTX-EIEOS-FS限制，VTX-EIEOS-FS：Minimum voltage swing during EIEOS for full swing signaling。定义见PCIE 4.0规范文档8.3.6 Data Rate Dependent Parameters章节。

        3、Tx可以选择性地支持Reduced-swing，支持Reduced-swing的话，必须满足 VTX-EIEOS-RS限制。VTX-EIEOS-FS：Minimum voltage swing during EIEOS for Reduces swing signaling。

        4、系数必须满足Boost和分辨率（VTX-Boost-FS：Maximum nominal Tx boost ratio for full swing、VTX-Boost-RS：Maximum nominal Tx boost ratio for reduced swing、EQTXCOEFF-RES：Tx coefficient resolution）限制。

        当以上约束均满足时，FIR系数空间可以映射到一个三角矩阵上。一个粒度为 1/24 的FIR系数三角矩阵如下图所示：

        该矩阵中，去加重系数C+1映射到X轴，Pre-shoot系数C-1映射到Y轴。矩阵中每个单元格由3个元素组成：Preset（左上）、De-emphasis（右上）及 Boost（下中），每个单元格都代表了一种有效的Pre-shoot、去加重、Boost系数组合。对角线元素（8/24-8/24）为最大Boost比率（9.5 dB），这条线右侧的系数，Boost超过了9.5dB，这些参数不能使用，为空白单元格。Full-swing需实现所有蓝色及橙色单元格，Reduced-swing必须实现蓝色单元格。

        发送端FFE就先介绍到这里，下一章讲述接收端DFE，敬请期待。