串行链路IBIS-AMI模型信号完整性分析及优化

摘 要：为解决高速串行链路通信时由于均衡器未精细配置导致的信号完整性问题，通过研究ＩＢＩＳＡＭＩ 模型均衡结构对信号完整性的影响，使用田口试验法建立仿真试验，实现各均衡参数优化，解决了均衡器参数需要精细配置的问题。建立并分析一阶线性模型，对最佳参数组合下的眼图做出预测，并将仿真值与预测值进行对比，验证了最佳参数组合的准确性。在最佳均衡参数下，发射端与接收端得到的预测值和仿真值最大偏差不超过６％ ，证明了该最佳参数组合是准确的。眼图扩张程度提升了２５％ ，信号质量明显变好，为系统驱动程序设置与信号完整性研究提供了较好的指导与参考。

关键词：信号完整性；ＩＢＩＳＡＭＩ；田口试验；高速串行链路；眼图

中图分类号：ＴＮ４０３ 文献标志码：Ａ 开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：

文章编号：１００３－３１０６（２０２４）０４－０８８２－１０

０ 引言

随着信息时代的迅速发展，电子产品的市场竞争压力与日俱增，模块间串行传输的总量与速率也大大提升，这导致了传输信号时发生失真和衰减。为解决此问题同时保证功能的可靠性，需要在产品正式进入生产阶段之前对其进行一系列信号完整性仿真以及测试，并且对发射端与接收端同时或者分别进行均衡处理，以补偿损失的信号。在高速链路仿真过程中，为了精确模拟芯片的电气行为并保护知识产权，通常加载ＩＢＩＳ （Ｉ ／ Ｏ Ｂｕｆｆｅｒ ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）模型［１－３］作为芯片的发射端与接收端。ＩＢＩＳ 模型由器件内部的电气参数所构成，主要用于表征器件的“Ｖ-Ｉ”和“Ｖ-ｔ”特性曲线。由于信号数据率的提升，信号失真的问题愈发严重，解决方法即在发射与接收端加入均衡技术，但传统的ＩＢＩＳ 模型无法描述复杂的均衡算法，因此使用ＡＭＩ（Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｃ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）模型进行均衡算法描述，共同构成了ＩＢＩＳ-ＡＭＩ［４］模型。

高速信号在链路中传输时，极易出现信号完整性问题［５］，如串扰、反射［６］和码间干扰等，导致数据传输丢失与错误，影响系统正常工作。ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型可以描述出现阶段芯片的所有行为特征，并具有灵活性、高效性和兼容性的特点，为链路的信号完整性仿真与研究提供了重要研究基础。国外通过加载ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型对信号完整性的研究处于领先地位。文献［７］对速率为１０ Ｇｂ ／ ｓ 高速ＰＣＢ 中串行链路的串扰问题进行了研究，研究差分微带线在不同间隔下的串扰大小，并且通过ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型验证了优化信号的可能性。文献［８］针对１０ Ｇｂ ／ ｓ 光电链路并基于热速率方程和实测曲线建立了ＶＣＳＥＬ 模型，建立了整个光链路的行为模型，再将行为模型转换为ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型，作为转驱模型加入到整个光电链路中，有效地预测和指导高速串行链路中信号衰减和失真，可以广泛分析板间光电高速光电链路的信号完整性，与实测眼图相比其仿真结果更加准确。从现有的文献上看，ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 已经成为了串行链路仿真的标准模型，并在工程应用中发挥了巨大作用，但对于如何调整ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型参数才能发挥最大均衡效果，各种文献或仿真说明均未提及。因此，为填补ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 均衡参数需要精细调整的空白，进一步扩张眼图，为系统设计留出充足的裕量，有必要对其均衡结构以及参数优化进行研究。

本文以某一系统级封装芯片中的一对ＰＣＩＥ 串行差分传输链路与ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型作为研究对象，在串行差分传输链路中加载ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型作为链路发射端与接收端。在此基础上，研究ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型的发射端与接收端均衡对信号完整性的影响，并通过田口试验预测最佳参数组合。得到最优参数组合后，对结果进行预测与分析，验证优化方案的准确性，为ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型参数优化提供方法指导。

１ 串行链路模型与ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型

建立的三维电磁模型是一对ＰＣＩＥ 串行差分传输链路，包括ＢＧＡ 焊点、过孔、差分传输线和焊盘，其中ＢＧＡ 焊点高为０． ２１０ ｍｍ，直径为０． ２５ ｍｍ；过孔直径为０． ２５ ｍｍ；差分传输线的线宽为０． ２ ｍｍ，间距为０． ６ ｍｍ，长度为２７０ ｍｍ；焊盘为０． ４ ｍｍ；信号层厚度为１５ μｍ，介质层宽度为３０ μｍ，最大介质层厚度为０． ８２ ｍｍ；介质材料介电常数为４． ４，损耗角为０． ００８。

为了对该差分传输链路模型进行更为精确的分析，使用ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ［９］软件进行三维电磁建模并进行仿真，得到该链路在在５ 倍信号带宽内的损耗大小以及Ｓ 参数模型。该链路在速率为８ Ｇｂ ／ ｓ 时的插入损耗大小约为－８ ｄＢ。图１ 是该串行链路三维电磁仿真模型。

所使用的ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型的发射端为一个三抽头前馈均衡器，接收端由自动增益控制模块、连续时间线性均衡器和判决反馈均衡器组成［１０］。主要参数以及功能描述如表１ 所示。

使用Ｃａｄｅｎｃｅ ｓｉｇｒｉｔｙ［１１］链路仿真工具建立完整仿真模型，具体建模方法是将串行链路通过ＨＦＳＳ进行三维全波仿真后得到Ｓ 参数模型，再通过仿真工具ｓｉｇｒｉｔｙ 添加Ｓ 参数模型与芯片的ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 模型搭建完整链路的拓扑结构。完整链路的拓扑结构如图２ 所示。设置信号时采用ＰＢＲ７ 激励码型对完整链路进行仿真，并且要求在对发射端与接受端均衡进行研究的信号速率为８ Ｇｂ ／ ｓ。

２ 均衡原理以及对信号完整性影响

由于发射端与接收端均衡实现的功能以及原理不同，所以需要其对结构进行研究与分析，并在此基础上通过仿真试验展开各均衡参数对信号完整性的影响分析。使用ＮＪＮ［１２］（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｊｉｔｔｅｒａｎｄ Ｎｏｉｓｅ）以及在误码率为１０ －１２ 时的眼高与眼宽作为评判信号完整性的指标，ＮＪＮ 越小、眼高与眼宽越大则信号质量越好，信号完整性越优。为了简便说明，以下所提到的眼高与眼宽均是在误码率为１０－１２ 时得到的。由于ＮＪＮ、眼高与眼宽的量纲不同，为了更加直观地观察对信号完整性地影响，对数据进行无量纲化处理，并使用变异系数法［１３］得到三者的权重，通过加权和的方式把ＮＪＮ、眼高与眼宽合成一个指标，以方便判断对信号完整性的影响。

２． １ 发射端均衡

前馈均衡器［１４］（Ｆｅｅｄ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｑｕａｌｉｚｅｒｓ，ＦＦＥ）的结构如图３ 所示。数据进行并串转换之后，延时器将信号分为３ 个不同时刻，再通过各抽头加权后累加，得到均衡后的信号。

参数ＰＲＥ 与ＰＯＳＴ 实现的是前抽头与后抽头控制，由于信号的高频信息在信道中更容易产生衰减，导致信号上升沿变缓，因此控制前抽头与后抽头的抽头系数可以增强信号光标前与光标后的高频分量［１５］，实现发射端均衡的预加重功能。ＤＩＦＦ 参数实现主抽头控制，能够控制输出的摆幅大小。

在分析发射端参数对信号完整性的影响时，需要在默认的发射端参数下，改变某一变量的值，保持其他变量不变。

图４ 为ＦＦＥ 对信号完整性的影响。可以看出，随着前抽头与后抽头控制参数水平的增加，综合指标都经历了先增大后减小的趋势，根据其原理可知，由于增强了信号前光标与后光标的高频分量，所以适当的预加重处理可以使信号质量得到显著提升，提高了信号完整性。不同的是，随着输出摆幅控制参数水平的增加，综合指标一直在增大，这是由于输出摆幅控制实现的是当前光标下信号放大的作用，实现眼高大幅度增加的同时眼宽与ＮＪＮ 基本保持不变，从而使整个综合指标增加。通过分析可知，当前抽头控制参数水平在５ 附近，后抽头控制参数水平在１０ 附近，输出摆幅控制水平在１５ 附近，对信号完整性有着比较好的影响。

２． ２ 接收端均衡

接收端由自动增益控制（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＧａｉｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＡＧＣ ）模块、连续时间线性均衡器（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｔｉｍｅ Ｌｉｎｅａｒ Ｅｑｕａｌｉｚｅｒ，ＣＴＬＥ）和判决反馈均衡器（Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＤＦＥ）组成，结构如图５ 所示。

ＡＧＣ 由参数ＧＡＩＮ 控制，该模块输出摆幅在一定范围内几乎稳定，这是由于ＡＧＣ 环路增益非常大［１６］，ＡＧＣ 的输出是与直流输入信号几乎无关的直流信号。因此ＡＧＣ 模块为其他模块提供了相对稳定的输入信号。

ＣＴＬＥ 分为中／ 高频控制组件与宽带增益组件，其中／ 高频控制组件通过降低信号中低频分量来维持信号的相对平衡，通过调整参数８ ＿５ 的水平，使ＣＴＬＥ 频率响应的零、第一极点发生偏移，从而使低频信号发生衰减。宽带增益组件用于增强或衰减宽带内所有频率，通过参数２３＿２６ 控制所有频率实现不同的增益。

由ＦＦＥ 与反馈支路构成ＤＦＥ［１７］，反馈支路对先前时刻的信号进行判决生成理想高、低电平，乘以相应的抽头系数值反馈于ＤＦＥ 的输入，使光标后的信号拖尾得到改善。其中参数ＵＴ 用于控制采样与判决当前信号，实现判决强度；Ｈ２ 控制自适应后抽头，通过自适应算法ＭＭＳＥ［９］改变抽头系数。

进行接收端均衡信号完整性分析时需要在默认参数下改变某一变量的值，并保持其他变量不变。

ＧＡＩＮ 参数控制ＡＧＣ 模块的输出摆幅，ＡＧＣ 模块对信号完整性的影响如图６ 所示。可以看出，ＡＧＣ 的输出摆幅对信号完整性的影响呈现先提高后降低的趋势。从实际数据上看，眼高最大值与最小值相差仅为６． ７％ ，眼宽基本保持恒定，在水平大于１８ 后才会有比较明显的变化，因此ＡＧＣ 模块对信号完整性的影响相对较稳定。这是由于ＡＧＣ 模块的环路也不是无限大，其输出摆幅不可能完全稳定，一定会在某个范围内增大或者减小，使得对信号完整性的影响也在一定范围内提高或者降低。因此ＡＧＣ 模块在水平大于１８ 时才对信号完整性造成一定的负面影响。

ＣＴＬＥ 模块的中／ 高频控制组件与宽带增益控制组件分别由参数８＿５ 与２３＿２６ 控制，对信号完整性的影响如图７ 所示。可以看出，中／ 高频控制组件对信号完整性有较大影响，水平为２ 时开始，其抖动开始迅速变大，眼高与眼宽迅速减小，减小幅度达到９％ ，并且在水平为１４ 时的眼图已完全闭合。这是由于中／ 高频控制组件实现的是低频信号的衰减，过度的低频衰减导致信号的高电平迅速减小，并且造成抖动急剧增加，使眼图闭合。宽带增益组件的综合指标总体趋势也在减小的原因是宽带增益组件对宽带内所有频率的信号都进行了放大，随着水平的上升，造成了过均衡现象，反而使眼高、眼宽处于一直下降的趋势。因此宽带增益组件在选取到最为合适的水平时才能使信号的高／ 低电平与上升沿保持相对平衡。通过分析可知，参数８＿５ 的水平控制在０ ～ ２，参数２３＿２６ 的水平控制在０ ～ ６ 时，均对信号完整性有较好的影响。

图８ 为ＤＦＥ 对信号完整性的影响，ＵＴ 与Ｈ２ 分别实现判决强度控制与后抽头控制。可以看出，ＤＦＥ的判决强度与ＤＦＥ 的后抽头随着水平的增加，二者的综合指标先增大后减小，原因是判决强度以及抽头系数选取不恰当，从而对信号拖尾判决欠佳，造成先欠均衡后过均衡的现象。在水平的选取上，ＵＴ 应该在１０ ～ ３０，Ｈ２ 应该在０ ～ １０。

３ ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 参数优化研究

为了保证信号完整性使信号传输的质量最大化，通过试验的方式对ＩＢＩＳ-ＡＭＩ 最佳参数组合进行探究。由于均衡参数水平过多，若进行全因子试验需要上万次才能找出最佳结果，为了减少实验次数，本文采用田口试验［１８］来寻找最优参数组合。

通过上一节对各均衡参数信号的完整性分析，缩小了最优范围，但还需进一步确定最佳参数组合。田口试验法通过分析均值与信噪比大大减少了试验次数，同时可以实现多目标优化设计，使产品性能达到目标值且波动小。通过田口试验法对ＩＢＩＳＡＭＩ 模型参数最佳组合进行研究，将均衡器主要参数选择为可控制因子，眼图的眼高、眼宽以及ＮＪＮ 的加权和为输出响应，并使用均值与信噪比作为性能指标，从而设计正交表、建立田口试验并分析实验结果，最终确定最佳参数水平。由于综合指标属于望大特性，信噪比［１８］的计算如下：

３． １ 发射端均衡田口试验

表２ 为发射端均衡的田口试验水平选取，通过其试验水平设计正交表并确定田口试验。

对田口试验结果进行分析，得到了信噪比与均值的响应表与主效应图，图９ 为发射端信噪比主效应图，图１０ 为发射端均值主效应图。

为了获得最佳眼高与眼宽，分析信噪比与均值主效应图，选取ＰＲＥ ＝ ５，ＰＯＳＴ ＝ ９，ＤＩＦＦ ＝ １５ 为发射端参数的最佳组合。

３． ２ 接收端参数田口试验

选取接收端均衡中参数水平并确定田口试验，分析信噪比与均值。预测ＧＡＩＮ ＝ ２，８＿５ 为０，２３＿２６为０，ＵＴ ＝ １０，Ｈ２ ＝ ０ 得到最佳眼图。试验选取水平如表３ 所示，接收端信噪比主效应图如图１１ 所示，接收端均值主效应图如图１２ 所示。

４ 最优参数组合验证

为验证最佳参数组合的准确性，通过田口试验拟合出线性模型，对上述最佳参数组合进行眼高与眼宽的预测，并将预测值与仿真值进行对比。在发射端的参数前抽头控制为５，后抽头控制为９，输出摆幅控制为１５ 的情况下预测的眼高为２２８ ｍＶ、眼宽为０． ８１ ＵＩ、ＮＪＮ 为０． ７９。接收端在ＡＧＣ 为２，中／ 高频控制为０，宽带增益控制为０，ＵＴ 抽头为１０，Ｈ２ 抽头为０ 时预测的眼高为５３５ ｍＶ、眼宽为０． ７２ ＵＩ、ＮＪＮ 为０． ５３。

根据以上发射端与接收端的最佳参数组合重新进行仿真试验分析，得到实际发射端眼高为２２６ ｍＶ、眼宽为０． ８１，ＵＩ、ＮＪＮ 为０． ７９；接收端眼高为５５０ ｍＶ，眼宽为０． ７３，ＵＩ、ＮＪＮ 为０． ５０。分析发现，预测值与试验值的偏差最大不超过６％ ，因此该线性模型拟合程度较高，验证了该最佳参数组合是可信的。

与默认参数对比，发射端的眼高与眼宽均提高了２５％ ，ＮＪＮ 减小了１０％ ；接收端的眼高与眼宽分别提高了４５％ 与３％ ，ＮＪＮ 减小了１９％ 。综合来看，发射端与接收端在最佳参数组合下的眼图张开程度均比默认参数下提高了２５％ 。图１３、图１４ 为默认均衡效果眼图与最佳均衡效果眼图。

５ 结论

① 发射端与接收端均衡结构在不同的参数水平下对信号完整性有不同程度的影响。发射端前抽头控制与后抽头控制对信号完整性的趋势为先提高后降低；输出摆幅控制对信号完整性的趋势则一直提高。接收端中ＡＧＣ 模块对信号完整性的影响比较小；ＣＴＬＥ 模块中的中／ 高频控制组件对信号完整性的影响非常显著，并且随着水平的变化，其信号完整性迅速劣化；ＣＴＬＥ 宽带增益控制组件与ＤＦＥ 对信号完整性有显著的影响。

② 在分析各结构参数对信号完整性影响的同时，缩小了各参数的范围，通过田口试验法进而得出最佳参数组合。通过一阶线性模型在最佳参数下进行结果预测，其预测值与仿真值的偏差最大不超过６％ ，因此该最佳参数组合是可信的。在最佳参数组合下，发射端眼高与眼宽相对于默认参数提高了２５％ ，ＮＪＮ 减小了１０％ ；接收端眼高与眼宽相对于默认参数提高了４５％ 与３％ ，ＮＪＮ 减小了１９％ 。在最佳参数组合下，信号质量明显变好、信号完整性更加优越，完成了ＩＢＩＳＡＭＩ 模型中均衡参数的优化，为系统驱动程序设置提供了指导，实现了信号更高质量的传输。

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作者简介

杨云普 男，（１９９７—），硕士研究生。主要研究方向：信号完整性仿真。

王 青 女，（１９８１—），博士，讲师。主要研究方向：高光谱图像处理、开关电源。

曾燕萍 女，（１９８７—），博士，高级工程师。主要研究方向：三位集成系统级设计和仿真技术。

基金项目：中国博士后科学基金（２０２２Ｍ７１２９７５）