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高速信號的加重和均衡技術(shù)

美國力科TeledyneLeCroy ? 來源:美國力科TeledyneLeCroy ? 2024-09-12 15:19 ? 次閱讀
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所有的信號都遵循從驅(qū)動端,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,接收端的信號質(zhì)量會大大下降導(dǎo)致誤碼率極高,影響通信質(zhì)量。

因此我們需要在發(fā)送端或者接收端對信號質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償以減少信號失真對通信性能的影響。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)送端對信號進(jìn)行預(yù)失真以應(yīng)對信道影響;均衡器是作用在接收端對信號失真進(jìn)行補(bǔ)償。

對于信號質(zhì)量來說,眼圖是最直觀的觀測工具,圖1利用力科示波器對比了均衡前后信號眼圖,很明顯看出經(jīng)過均衡后的信號“眼睛”張開了。

wKgZombili-ALaL7AAdQVyMbpmc036.jpg

圖1.1 經(jīng)過信道的信號

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圖1.2 均衡后的信號

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),使得高頻信號經(jīng)過信道介質(zhì)后衰減比低頻信號大。因此加重技術(shù)用在發(fā)送端來彌補(bǔ)信號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)是在信號的每一個跳變時刻(包含高頻部分)對信號的高頻部分進(jìn)行增強(qiáng),從而彌補(bǔ)高頻信號相對更大的衰減;相對應(yīng)的,去加重(De-Emphasis)技術(shù)降低信號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濾波器來表征。

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圖2

FIR濾波器通過對輸入信號不同頻率成分進(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。

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圖3

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圖4

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圖5

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

二、均衡技術(shù)

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

1CTLE(Continuous Time Linear Equalizer)

CTLE是一個模擬均衡器,類似一個高通濾波器,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:

wKgaombiloKAfxXgAABxktKJnPE267.png

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候衰減是幾乎不變的,隨著頻率增高并越過零點(diǎn)后,衰減逐漸減少。兩個極點(diǎn)之間有一個最大值,之后衰減又會增大。因此可以利用的頻段便是前兩段,通過配置零點(diǎn)和極點(diǎn)的值來確定信號中需要補(bǔ)償衰減的頻率范圍,DC gain用來設(shè)置衰減幅值。通常像PCIE、USB、DP等高速串行協(xié)議,協(xié)會會在規(guī)范書中規(guī)定CTLE的零點(diǎn)、極點(diǎn)、DC gain值。

wKgZombilo2AWj_JAAORAEktZRo977.png

圖6

圖7示意圖可以顯示CTLE對信道函數(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。

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圖7

利用力科示波器SDA軟件來仿真CTLE對經(jīng)過20in背板的PRBS信號進(jìn)行均衡的結(jié)果,右圖為未經(jīng)過均衡的信號,左圖為經(jīng)過均衡的信號:

wKgaombilqGAcPA_AAo5XHRmH2o756.png

圖8

可以看到原始信號因?yàn)槭艿叫诺赖屯ㄌ匦杂绊懀霈F(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CTLE均衡以后的眼圖質(zhì)量得到極大的改善。從SDA軟件測量抖動結(jié)果來看,經(jīng)過CTLE均衡后信號的ISI抖動降低了約三分之二。

2FFE(Feed Forward Equalizer)

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

wKgaombilq2AOCr_AACzgkLsfcg752.png

其中P是前置系數(shù)的個數(shù),N是濾波器系數(shù)的個數(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)來訓(xùn)練濾波器參數(shù)。在ISI較大的時候,眼圖中會存在多個眼睛的現(xiàn)象或者眼圖凹陷,因此眼圖高電平和低電平的范圍會很寬。因此基于Levenberg-Marquardt的算法能夠盡量使眼圖張開。

wKgZombilrmAPnW0AALdHTL5oOo194.png

圖9

利用力科示波器對PRBS7信號經(jīng)過20in背板后的眼圖進(jìn)行仿真,并利用SDA軟件加載FFE對信號進(jìn)行均衡??梢詮膱D9看到加載FFE后的信號眼圖張開了,并且利用示波器游標(biāo)功能對眼圖中心高電平幅度變化進(jìn)行測量可以得到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。通過減輕前面符號對當(dāng)前符號的影響,從而減少當(dāng)前符號的失真。

wKgaombilsSAPPbzAADjEROD75w883.png

圖10

如圖10,輸入對應(yīng)比特序列101的信號脈沖經(jīng)過帶限信道以后,在相同采樣時刻,由于b[n-2]脈沖拖尾長,對b[n-1]產(chǎn)生了影響。將導(dǎo)致紫色曲線上經(jīng)過信道后的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,反饋機(jī)制可以減掉適當(dāng)?shù)碾娖街担涂梢栽黾诱_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:

wKgaombils-ABCE9AAFkBf3pJew824.png

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,對輸入信號進(jìn)行采樣。反饋濾波器會將采樣后的數(shù)據(jù)延遲并加權(quán)后補(bǔ)償?shù)捷斎胄盘栔?。最后決策器會進(jìn)行邏輯判決。

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

wKgaombiltmAdC3xAATAgWVZbMA176.png

圖12

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

三、小結(jié)

許多高速串行協(xié)議采取多個均衡或加重技術(shù)相結(jié)合的方式,以保證更好的信號質(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)和對應(yīng)參數(shù)來進(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信號質(zhì)量進(jìn)行調(diào)試,以得到滿意的均衡參數(shù)。

關(guān)于我們

特勵達(dá)力科(Teledyne Lecroy)是高端示波器、協(xié)議分析儀和其他測試儀器的領(lǐng)先制造商,可快速全面地驗(yàn)證電子系統(tǒng)的性能和合規(guī)性,并進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)試分析。

1964 年成立以來,公司一直專注于將強(qiáng)大的工具整合到創(chuàng)新產(chǎn)品中,以提高“洞察時間”。更快的洞察時間使用戶能夠快速查找和修復(fù)復(fù)雜電子系統(tǒng)中的缺陷,從而顯著縮短產(chǎn)品的上市時間。

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原文標(biāo)題:技術(shù)文章 | 高速信號的加重和均衡技術(shù)

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