高速信號調整技術

隨著信號速率的增加，高速信號的趨膚效應和傳輸線的介質損耗，使信號在傳輸過程中受損很大，為了在接收終端能得到比較好的波形，就需要對受損的信號進行補償，常用的補償技術有：預加重、去加重和均衡在介紹這三種信號補償技術之前，先來介紹下趨膚效應和介質損耗。

高速串行鏈路系統(tǒng)對信號的影響

當信號經過無源鏈路時，由于信道損耗（插損）、阻抗不連續(xù)（反射、回損）、其它信道的干擾（串擾）等，信號完整性受到破壞、信噪比（SNR）降低，以至于信號傳遞可能出現(xiàn)誤碼（BER）。?影響SNR的還有振鈴,EMI, 地彈, 開關電源噪聲, 熱噪聲, 白噪聲/閃爍噪聲/隨機噪聲, 環(huán)境變化（溫度、濕度，等）。

趨膚效應：交變電流(alternating electric current, AC)通過導體時，由于感應作用引起導體截面上電流分布不均勻，愈近導體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱“趨膚效應”。趨膚效應使導體的有效電阻增加。頻率越高，趨膚效應越顯著。當頻率很高的電流通過導線時，可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過，這等效于導線的截面減小，電阻增大。

介質損耗：絕緣材料在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，在其內部引起的能量損耗叫介質損耗。在交變電場作用下，電介質內流過的電流相量和電壓相量之間的夾角叫做介質損耗角，該角的正切值稱為介質損耗因素。

在高速信號傳輸中，信號的高頻分量衰減要比低頻分量的衰減大很多，傳輸線路表現(xiàn)出來的特性像一個低通濾波器。如下圖所示。

片內解決方案-均衡技術

發(fā)送端：預加重或去加重

接收端：有源連續(xù)時間線性均衡器(CTLE, Continuous Time Linear Equalizer)，前饋均衡器(FFE, Feed-Forward Equalizer) ，判決反饋均衡器(DFE, Decision Feedback Equalizer)

預加重 (Pre-emphasis)：

前面已經介紹過了，信號傳輸線表現(xiàn)出來的是低通濾波特性，傳輸過程中信號的高頻成分衰減大，低頻成分衰減少。預加重技術的思想就是在傳輸線的始端增強信號的高頻成分，以補償高頻分量在傳輸過程中的過大衰減。我們知道，信號頻率的高低主要是由信號電平變化的速度決定的，所以信號的高頻分量主要出現(xiàn)在信號的上升沿和下降沿處，預加重技術就是增強信號上升沿和下降沿處的幅度。如下圖所示。

去加重(De-emphasis)：

去加重技術的思想跟預加重技術有點類似，只是實現(xiàn)方法有點不同，預加重是增加信號上升沿和下降沿處的幅度，其它地方幅度不變；而去加重是保持信號上升沿和下降沿處的幅度不變，其他地方信號減弱。如下圖所示。

去加重補償后的信號擺渡比預加重補償后的信號擺幅小，眼圖高度低，功耗小，EMC輻射小。

均衡器：

前面介紹的預加重和去加重能很好的補償信號在傳輸過程中的損耗，改善信號質量，但是預加重和去加重技術也存在一些缺陷，比如當線路上存在串擾時，預加重和去加重會將高頻串擾分量放大，增大串擾的危害。為了彌補預加重和去加重技術的缺陷，后來就出現(xiàn)了均衡技術。

跟預加重和去加重不同，均衡技術在信號的接收端使用，它的特性相當于一個高通濾波器。其原理如下：

均衡器實際上是一個高通濾波器，下圖是一個簡單的高通濾波器，即均衡器。

均衡器通常是用濾波器來實現(xiàn)的，使用濾波器來補償失真的脈沖，判決器得到的解調輸出樣本，是經過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應均衡器直接從傳輸的實際數字信號中根據某種算法不斷調整增益，因而能適應信道的隨機變化，使均衡器總是保持最佳的狀態(tài)，從而有更好的失真補償性能。

前饋均衡器

數字 FIR 濾波器、模擬 FIR 濾波器、連續(xù)時間濾波器，幾種濾波器均屬于前饋均衡器（FFE）。采用連續(xù)時間濾波器的 前饋均衡器在減小了 ISI 的同時也放大了噪聲，減小了噪聲裕量。

數字 FIR 濾波器 ：接收端 FIR 濾波器也可以與發(fā)射端預加重 FIR 濾波器類似的方式實現(xiàn)。由于 發(fā)射端處理的是離散信號，其 FIR 濾波器可以實現(xiàn)為數字濾波器。然而，離散信 號經過有損信道之后會出現(xiàn)扭曲，到達接收端時候成了模擬信號，因此接收端濾 波器應該在模擬域（Analog Domain）中實現(xiàn)。如圖為數字 FIR 濾波器的實 現(xiàn)框圖。其中采樣保持放大器(SHA)對信號進行采樣，樣本再由模數轉換器（ADC） 轉換成數字信號。但由于乘法運算通常在數字域中實現(xiàn)，功耗很大。

該濾波器的實現(xiàn)遭遇了兩個瓶頸：（1）關鍵路徑（Critical Path）限制了濾波 器的工作速度，使其不過數百 MHz。移相技術和并行技術即便可以減輕速度 上的瓶頸，其波特率也被限制在 1Gbps。（2）在合適的功耗和面積前提下，位于前 端的 ADC 的工作速度嚴重限制了均衡器的工作速度。當數據率達到 GHz 兩級時， 這些 ADC 將消耗大量的功耗和面積。這些瓶頸將 FIR 濾波器的應用局限在中間速 率的接口中（如寬帶調制解調器和硬盤驅動讀取信道）。

模擬 FIR 濾波器

模擬串行鏈路中通常要求將數十個鏈路集成在一個芯片上，這就要求均衡器的功 率做到足夠小。模擬 FIR 濾波器無需額外的高速 ADC，因此有可能實現(xiàn)低功耗高 速度。如圖所示為模擬 FIR 濾波器的原理框圖

延遲線路可以由 LC 延遲線路實現(xiàn)，也可以由 DLL 或者 PLL 鎖定的延遲 線實現(xiàn)。加權相加功能由模擬乘法器實現(xiàn)。該濾波器同樣存在一些瓶頸：（1）速 度同樣被位于前端的采樣保持電路限制，（2）延遲線的速度受其帶寬限制，使得 信號經受很大的衰減，（3）為很高的數據率提供精確的延遲時間也是一個嚴重的 挑戰(zhàn)。

連續(xù)時間濾波器

離散時間濾波器具有三個基本的缺陷：（1）SHA 限制了濾波器的 速度，（2）SHA 對時鐘抖動的敏感性惡化了均衡器的性能，（3）采用離散時間濾 波器的接收器需要額外的時鐘源。而且，直到均衡功能完成之后，才可以精確地 進行時鐘對齊。為解決這個問題，串行鏈路采用具有分離的時鐘和數據信道的源 同步（Source-synchronous）接口來實現(xiàn)離散時間 FIR 均衡器。

由于無需采樣保持電路，連續(xù)時間濾波器可以減輕以上采樣和速率的問題。

判決反饋均衡器

諸如LTE的線性均衡器為了補償信道的深度零點而增大增益從而也放大了噪聲，因此在有深度譜零點的帶通信道中線性均衡器性能不佳。然而對于這樣的惡劣信道，判決反饋均衡器由于存在著不受噪聲增益影響的反饋部分因而性能優(yōu)于線性橫向均衡器。

判決反饋均衡的基本方法就是一旦信息符號經檢測和判決以后，它對隨后信號的于擾在其檢測之前可以被估計并消減。其結構如圖所示。包括兩個抽頭延遲濾波器：一個是前向濾波器(FFF)，另一個是反向濾波器(FBF)。其作用和原理與前面討論的線性橫向均衡器類似：FBF的輸入是判決器的先前輸出，其系數可以通過調整減弱當前估計中的碼間干擾。其中FFF抽頭系數的個數為L而FBF抽頭系數的個數為M。

判決反饋均衡器(DFE)的結構具有許多優(yōu)點，當判決差錯對性能的影響可忽略時DFE優(yōu)于線性均衡器，顯而易見相對于線性均衡器加入判決反饋部分可得到性能上相當大的改善，反饋部分消除了由先前被檢測符號引起的符號間干擾，例如相對于LTE較小的噪聲增益和MSE,相對于MLSE和格型結構的低運算復雜度、相對于橫向結構更容易達到穩(wěn)態(tài)性能等等。然而DFE結構面臨的主要問題之一是錯誤傳播，錯誤傳播是由于對信息的不正確判決而產生的，錯誤信息的反饋會影響FBF部分從而影響未來信息的判決；另一問題是移動通信中的收斂速度。

眼圖，是由于示波器的余輝作用，將掃描所得的每一個碼元波形重疊在一起，從而形成眼圖。其是指利用實驗的方法估計和改善（通過調整）傳輸系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱 為 “眼圖”。

眼圖中包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，體現(xiàn)了數字信號整體的特征，從而可以估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度，因而眼圖分析是高速互連系統(tǒng)信號完整性分析的核心。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾，改善系統(tǒng)的傳輸性能。

在無碼間串擾和噪聲的理想情況下，波形無失真，每個碼元將重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線又細又清晰的“眼睛”，“眼”開啟得最大。當有碼間串擾時，波形失真，碼元不完全重合，眼圖的跡線就會不清晰，引起“眼”部分閉合。若再加上噪聲的影響，則使眼圖的線條變得模糊，“眼”開啟得小了，因此，“眼”張開的大小表示了失真的程度，反映了碼間串擾的強弱。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串擾和噪聲的影響，可評價一個基帶傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾和改善系統(tǒng)的傳輸性能。

通常眼圖可以用上圖所示的圖形來描述，由此圖可以看出：（1）眼圖張開的寬度決定了接收波形可以不受串擾影響而抽樣再生的時間間隔。顯然，最佳抽樣時刻應選在眼睛張開最大的時刻。（2）眼圖斜邊的斜率，表示系統(tǒng)對定時抖動（或誤差）的靈敏度，斜率越大，系統(tǒng)對定時抖動越敏感。（3）眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號零點的變化范圍，稱為零點失真量，在許多接收設備中，定時信息是由信號零點位置來提取的，對于這種設備零點失真量很重要。（4）在抽樣時刻，陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號失真量。（5）在抽樣時刻上、下兩陰影區(qū)間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就有可能發(fā)生錯誤判決。（6）橫軸對應判決門限電平。