高速信号的加重和均衡技术

所有的信号都遵循从驱动端，经由信道/夹具到达接收端的路径。由于信道的带宽是有限的，并且在传输路径中反射、串扰或其他噪声源的影响，接收端的信号质量会大大下降导致误码率极高，影响通信质量。

因此我们需要在发送端或者接收端对信号质量进行补偿以减少信号失真对通信性能的影响。补偿技术主要分成加重和均衡两大类。预/去加重是作用在发送端对信号进行预失真以应对信道影响；均衡器是作用在接收端对信号失真进行补偿。

对于信号质量来说，眼图是最直观的观测工具，图1利用力科示波器对比了均衡前后信号眼图，很明显看出经过均衡后的信号“眼睛”张开了。

图1.1 经过信道的信号

图1.2 均衡后的信号

一、加重技术

由于信道的带宽是有限的以及传输线的趋肤效应，使得高频信号经过信道介质后衰减比低频信号大。因此加重技术用在发送端来弥补信号高频和低频部分的幅度不平衡。加重技术包含预加重和去加重两种。预加重（Pre-Emphasis）技术是在信号的每一个跳变时刻（包含高频部分）对信号的高频部分进行增强，从而弥补高频信号相对更大的衰减；相对应的，去加重（De-Emphasis）技术降低信号跳变以外的低频部分幅度，同样能达到高低频部分幅度平衡的目的。通常，预/去加重电路数学特性可以由N阶FIR滤波器来表征。

图2

FIR滤波器通过对输入信号不同频率成分进行系数加权处理，可以改变高/低频幅度从而实现预/去加重。

图3

图4

图5

图3~图5是利用力科示波器以及自带SDA软件对预加重的效果进行模拟，图3是做过预加重处理的原始波形，可以看到信号上升沿（即高频部分）比低频部分幅值大。图4是未经过信道的眼图，图5是经过10英寸背板的信号眼图。可以看到预加重抵消了信道的影响。

二、均衡技术

通常来说，均衡技术主要包含CTLE（连续时间线性均衡）、FFE（前馈均衡）以及DFE（决策反馈均衡）三种。

1CTLE(Continuous Time Linear Equalizer)

CTLE是一个模拟均衡器，类似一个高通滤波器，以补偿信道中高频衰减。以PCIE3.0协议规范为例，典型的数学表达式为：

利用CTLE调节高频/低频的衰减，频响示意图如图6，标红色点为零点，蓝色点为极点。

可以明显看出在低频的时候衰减是几乎不变的，随着频率增高并越过零点后，衰减逐渐减少。两个极点之间有一个最大值，之后衰减又会增大。因此可以利用的频段便是前两段，通过配置零点和极点的值来确定信号中需要补偿衰减的频率范围，DC gain用来设置衰减幅值。通常像PCIE、USB、DP等高速串行协议，协会会在规范书中规定CTLE的零点、极点、DC gain值。

图6

图7示意图可以显示CTLE对信道函数的补偿作用，红色线为信道函数，呈现低通特性，绿色线为CTLE响应曲线，蓝色线为补偿后的响应曲线。可以看出补偿后的响应曲线在较宽的频率范围内都呈现平稳的特性。

图7

利用力科示波器SDA软件来仿真CTLE对经过20in背板的PRBS信号进行均衡的结果，右图为未经过均衡的信号，左图为经过均衡的信号：

图8

可以看到原始信号因为受到信道低通特性影响，出现高频部分衰减大的现象，眼图中有“双眼皮”的现象，引起极大的ISI；而经过CTLE均衡以后的眼图质量得到极大的改善。从SDA软件测量抖动结果来看，经过CTLE均衡后信号的ISI抖动降低了约三分之二。

2FFE（Feed Forward Equalizer）

FFE通过改变前后比特对当前比特的影响来补偿ISI。FFE的数学特性跟加重一致，也可以由FIR滤波器来表征，如下公式所示：

其中P是前置系数的个数，N是滤波器系数的个数。

在力科示波器SDA仿真软件中，FFE的参数训练算法是Levenberg–Marquardt，以减小眼图中心高电平和低电平的范围为最小化目标来训练滤波器参数。在ISI较大的时候，眼图中会存在多个眼睛的现象或者眼图凹陷，因此眼图高电平和低电平的范围会很宽。因此基于Levenberg-Marquardt的算法能够尽量使眼图张开。

图9

利用力科示波器对PRBS7信号经过20in背板后的眼图进行仿真，并利用SDA软件加载FFE对信号进行均衡。可以从图9看到加载FFE后的信号眼图张开了，并且利用示波器游标功能对眼图中心高电平幅度变化进行测量可以得到FFE均衡将高电平的范围缩小了约一半。

3DFE（Decision Feedback Equalizer）

DFE属于非线性均衡，可以很好的适用于急剧变化的色散信道。通过减轻前面符号对当前符号的影响，从而减少当前符号的失真。

图10

如图10，输入对应比特序列101的信号脉冲经过带限信道以后，在相同采样时刻，由于b[n-2]脉冲拖尾长，对b[n-1]产生了影响。将导致紫色曲线上经过信道后的0比特电平比原始b[n-1]的0比特电平高很多，容易引起误判。DFE可以将b[n-2]处的码元信息延迟反馈到输入信号，反馈机制可以减掉适当的电平值，就可以增加正确判断概率。

与FFE前馈控制不同，DFE采取反馈的控制方式。工作流程如下图：

图11

DFE包含量化器、反馈滤波器以及决策器。在物理实现电路中，量化器功能类似于1bit ADC，对输入信号进行采样。反馈滤波器会将采样后的数据延迟并加权后补偿到输入信号中。最后决策器会进行逻辑判决。

利用力科示波器对经过15in FR4 PCB板的10Gb/s信号进行DFE均衡仿真，得到恢复后的信号，如下图：

图12

图12中左边为原始经过15in PCB信号，右边为经过DFE均衡器后的信号，信号质量明显得到改善。

三、小结

许多高速串行协议采取多个均衡或加重技术相结合的方式，以保证更好的信号质量，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。用户可以根据协议规定的均衡技术和对应参数来进行配置。在非标的高速协议中，用户可以利用力科示波器SDA分析软件中自带的均衡仿真器对信号质量进行调试，以得到满意的均衡参数。

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