高速信號(hào)的加重和均衡技術(shù)

所有的信號(hào)都遵循從驅(qū)動(dòng)端，經(jīng)由信道/夾具到達(dá)接收端的路徑。由于信道的帶寬是有限的，并且在傳輸路徑中反射、串?dāng)_或其他噪聲源的影響，接收端的信號(hào)質(zhì)量會(huì)大大下降導(dǎo)致誤碼率極高，影響通信質(zhì)量。

因此我們需要在發(fā)送端或者接收端對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償以減少信號(hào)失真對(duì)通信性能的影響。補(bǔ)償技術(shù)主要分成加重和均衡兩大類。預(yù)/去加重是作用在發(fā)送端對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真以應(yīng)對(duì)信道影響；均衡器是作用在接收端對(duì)信號(hào)失真進(jìn)行補(bǔ)償。

對(duì)于信號(hào)質(zhì)量來(lái)說(shuō)，眼圖是最直觀的觀測(cè)工具，圖1利用力科示波器對(duì)比了均衡前后信號(hào)眼圖，很明顯看出經(jīng)過(guò)均衡后的信號(hào)“眼睛”張開了。

圖1.1 經(jīng)過(guò)信道的信號(hào)

圖1.2 均衡后的信號(hào)

一、加重技術(shù)

由于信道的帶寬是有限的以及傳輸線的趨膚效應(yīng)，使得高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)信道介質(zhì)后衰減比低頻信號(hào)大。因此加重技術(shù)用在發(fā)送端來(lái)彌補(bǔ)信號(hào)高頻和低頻部分的幅度不平衡。加重技術(shù)包含預(yù)加重和去加重兩種。預(yù)加重（Pre-Emphasis）技術(shù)是在信號(hào)的每一個(gè)跳變時(shí)刻（包含高頻部分）對(duì)信號(hào)的高頻部分進(jìn)行增強(qiáng)，從而彌補(bǔ)高頻信號(hào)相對(duì)更大的衰減；相對(duì)應(yīng)的，去加重（De-Emphasis）技術(shù)降低信號(hào)跳變以外的低頻部分幅度，同樣能達(dá)到高低頻部分幅度平衡的目的。通常，預(yù)/去加重電路數(shù)學(xué)特性可以由N階FIR濾波器來(lái)表征。

圖2

FIR濾波器通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)不同頻率成分進(jìn)行系數(shù)加權(quán)處理，可以改變高/低頻幅度從而實(shí)現(xiàn)預(yù)/去加重。

圖3

圖4

圖5

圖3~圖5是利用力科示波器以及自帶SDA軟件對(duì)預(yù)加重的效果進(jìn)行模擬，圖3是做過(guò)預(yù)加重處理的原始波形，可以看到信號(hào)上升沿（即高頻部分）比低頻部分幅值大。圖4是未經(jīng)過(guò)信道的眼圖，圖5是經(jīng)過(guò)10英寸背板的信號(hào)眼圖。可以看到預(yù)加重抵消了信道的影響。

二、均衡技術(shù)

通常來(lái)說(shuō)，均衡技術(shù)主要包含CTLE（連續(xù)時(shí)間線性均衡）、FFE（前饋均衡）以及DFE（決策反饋均衡）三種。

1CTLE(Continuous Time Linear Equalizer)

CTLE是一個(gè)模擬均衡器，類似一個(gè)高通濾波器，以補(bǔ)償信道中高頻衰減。以PCIE3.0協(xié)議規(guī)范為例，典型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

利用CTLE調(diào)節(jié)高頻/低頻的衰減，頻響示意圖如圖6，標(biāo)紅色點(diǎn)為零點(diǎn)，藍(lán)色點(diǎn)為極點(diǎn)。

可以明顯看出在低頻的時(shí)候衰減是幾乎不變的，隨著頻率增高并越過(guò)零點(diǎn)后，衰減逐漸減少。兩個(gè)極點(diǎn)之間有一個(gè)最大值，之后衰減又會(huì)增大。因此可以利用的頻段便是前兩段，通過(guò)配置零點(diǎn)和極點(diǎn)的值來(lái)確定信號(hào)中需要補(bǔ)償衰減的頻率范圍，DC gain用來(lái)設(shè)置衰減幅值。通常像PCIE、USB、DP等高速串行協(xié)議，協(xié)會(huì)會(huì)在規(guī)范書中規(guī)定CTLE的零點(diǎn)、極點(diǎn)、DC gain值。

圖6

圖7示意圖可以顯示CTLE對(duì)信道函數(shù)的補(bǔ)償作用，紅色線為信道函數(shù)，呈現(xiàn)低通特性，綠色線為CTLE響應(yīng)曲線，藍(lán)色線為補(bǔ)償后的響應(yīng)曲線?？梢钥闯鲅a(bǔ)償后的響應(yīng)曲線在較寬的頻率范圍內(nèi)都呈現(xiàn)平穩(wěn)的特性。

圖7

利用力科示波器SDA軟件來(lái)仿真CTLE對(duì)經(jīng)過(guò)20in背板的PRBS信號(hào)進(jìn)行均衡的結(jié)果，右圖為未經(jīng)過(guò)均衡的信號(hào)，左圖為經(jīng)過(guò)均衡的信號(hào)：

圖8

可以看到原始信號(hào)因?yàn)槭艿叫诺赖屯ㄌ匦杂绊?，出現(xiàn)高頻部分衰減大的現(xiàn)象，眼圖中有“雙眼皮”的現(xiàn)象，引起極大的ISI；而經(jīng)過(guò)CTLE均衡以后的眼圖質(zhì)量得到極大的改善。從SDA軟件測(cè)量抖動(dòng)結(jié)果來(lái)看，經(jīng)過(guò)CTLE均衡后信號(hào)的ISI抖動(dòng)降低了約三分之二。

2FFE（Feed Forward Equalizer）

FFE通過(guò)改變前后比特對(duì)當(dāng)前比特的影響來(lái)補(bǔ)償ISI。FFE的數(shù)學(xué)特性跟加重一致，也可以由FIR濾波器來(lái)表征，如下公式所示：

其中P是前置系數(shù)的個(gè)數(shù)，N是濾波器系數(shù)的個(gè)數(shù)。

在力科示波器SDA仿真軟件中，F(xiàn)FE的參數(shù)訓(xùn)練算法是Levenberg–Marquardt，以減小眼圖中心高電平和低電平的范圍為最小化目標(biāo)來(lái)訓(xùn)練濾波器參數(shù)。在ISI較大的時(shí)候，眼圖中會(huì)存在多個(gè)眼睛的現(xiàn)象或者眼圖凹陷，因此眼圖高電平和低電平的范圍會(huì)很寬。因此基于Levenberg-Marquardt的算法能夠盡量使眼圖張開。

圖9

利用力科示波器對(duì)PRBS7信號(hào)經(jīng)過(guò)20in背板后的眼圖進(jìn)行仿真，并利用SDA軟件加載FFE對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡?？梢詮膱D9看到加載FFE后的信號(hào)眼圖張開了，并且利用示波器游標(biāo)功能對(duì)眼圖中心高電平幅度變化進(jìn)行測(cè)量可以得到FFE均衡將高電平的范圍縮小了約一半。

3DFE（Decision Feedback Equalizer）

DFE屬于非線性均衡，可以很好的適用于急劇變化的色散信道。通過(guò)減輕前面符號(hào)對(duì)當(dāng)前符號(hào)的影響，從而減少當(dāng)前符號(hào)的失真。

圖10

如圖10，輸入對(duì)應(yīng)比特序列101的信號(hào)脈沖經(jīng)過(guò)帶限信道以后，在相同采樣時(shí)刻，由于b[n-2]脈沖拖尾長(zhǎng)，對(duì)b[n-1]產(chǎn)生了影響。將導(dǎo)致紫色曲線上經(jīng)過(guò)信道后的0比特電平比原始b[n-1]的0比特電平高很多，容易引起誤判。DFE可以將b[n-2]處的碼元信息延遲反饋到輸入信號(hào)，反饋機(jī)制可以減掉適當(dāng)?shù)碾娖街?，就可以增加正確判斷概率。

與FFE前饋控制不同，DFE采取反饋的控制方式。工作流程如下圖：

圖11

DFE包含量化器、反饋濾波器以及決策器。在物理實(shí)現(xiàn)電路中，量化器功能類似于1bit ADC，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。反饋濾波器會(huì)將采樣后的數(shù)據(jù)延遲并加權(quán)后補(bǔ)償?shù)捷斎胄盘?hào)中。最后決策器會(huì)進(jìn)行邏輯判決。

利用力科示波器對(duì)經(jīng)過(guò)15in FR4 PCB板的10Gb/s信號(hào)進(jìn)行DFE均衡仿真，得到恢復(fù)后的信號(hào)，如下圖：

圖12

圖12中左邊為原始經(jīng)過(guò)15in PCB信號(hào)，右邊為經(jīng)過(guò)DFE均衡器后的信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量明顯得到改善。

三、小結(jié)

許多高速串行協(xié)議采取多個(gè)均衡或加重技術(shù)相結(jié)合的方式，以保證更好的信號(hào)質(zhì)量，如PCIE3.0或以上/DP UBHR采用了CTLE+DFE均衡方案；SERDES采用了Emphasis+CTLE的方案。用戶可以根據(jù)協(xié)議規(guī)定的均衡技術(shù)和對(duì)應(yīng)參數(shù)來(lái)進(jìn)行配置。在非標(biāo)的高速協(xié)議中，用戶可以利用力科示波器SDA分析軟件中自帶的均衡仿真器對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)試，以得到滿意的均衡參數(shù)。

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