High Speed Transmission - Intro.

隨著人們對運算能力的需求不斷增加，不同單元間的傳輸資料量也相應地節節上升。舉最常見的USB I/F為例：從USB2.0演進到USB3.1 Gen2，最大傳輸速度已經上升約20倍且來到了10Gbps per lane。這樣的趨勢對硬體工程師來說是個有趣的挑戰，原因要從訊號波型開始說起：

一個完美的訊號波型應該要像是上圖左：在０與１之間能夠瞬間轉換（方波），轉換得愈快速則此波型能夠傳輸資料的速度愈快（一樣時間內有更多０與１）。
而透過右側傅立葉分析可以可以觀察到頻譜組成，不難發現頻譜若能包含至愈高頻分量，此訊號波型愈能接近完美方波。可惜在現實生活中任何傳輸通道都具有損耗，即使在發送端（Tx）波型正確無誤，因通道損耗也可能會使得訊號在接受端（Rx）無法被正確讀取。

上圖是一常見FR4 PCB通道損耗特性，可以看到基本上呈現低通（Low-pass）特性，愈高頻分量損耗愈嚴重。有一點需要特別说明，真正影響訊號有效傳輸的並不是損耗本身，而是通道損耗隨著頻率變化。通道對訊號在高低頻分量間的損耗差異將會造成ISI（Inter-Symbol Interference）。如下圖，通道在高頻率區的加速衰減會導致訊號波型在高低轉換邊緣變緩，進而跨越到其他UI（Unit-Interval）而對訊號判讀造成干擾誤碼。通道的高低頻衰減差異愈大（有時會以通道頻寬來表示此概念），則愈容易造成誤碼。換句話說，高速訊號傳輸真正需要解決的並不是訊號損耗，而是高低頻訊號的損耗差。

除了通道材料自身的損耗特性外，通道上的元件、分支、通孔等也都會對通道頻率響應造成破壞。因此各種I/F PHY設計都會提供Design guidelines建議適合的走線設計，大方向是減少長度、避免殘線分支、減少通孔數量、以及Connector pad voiding。
通常我們會測量眼圖（Eye diagram）來判定所收到訊號的品質。眼圖是將訊號以UI為間隔不斷疊加而成，形狀類似於眼睛因而得名，只有當眼圖張開時，所得訊號的品質才能保證其誤碼率（Bit-error rate, BER）。

上圖左右分別顯示閉合及張開的眼圖，但實際上是測量至同一通道訊號，差別是右圖所測量的訊號有經過Equalization（EQ）處理。而常見EQ又可以分成Tx端的Pre-emphasis以及Rx端的CTLE （Continuous Time Linear Equalizer）。

Pre-emphasis

簡單來說就是將低頻訊號強度壓低，並將高頻強度提高來補償通道損耗。在時域上看Tx訊號會刻意凸顯波形高低轉換邊緣，付出代價則是Overall Swing depth降低以及眼圖寬度較小（畢竟I/F driver Vdd/Vss都是固定值，不過swing depth通常可由Rx端放大補回）。

CTLE

CTLE則是在Rx端設計模擬出一個Band-pass filter，透過調整不同Gain值（容易影響耗電以及S-N ratio）去補償通道損耗得到最佳頻率響應。