高速信號(hào)調(diào)整技術(shù)

隨著信號(hào)速率的增加，高速信號(hào)的趨膚效應(yīng)和傳輸線的介質(zhì)損耗，使信號(hào)在傳輸過(guò)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(duì)受損的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，常用的補(bǔ)償技術(shù)有：預(yù)加重、去加重和均衡在介紹這三種信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)之前，先來(lái)介紹下趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗。

高速串行鏈路系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的影響

當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)源鏈路時(shí)，由于信道損耗（插損）、阻抗不連續(xù)（反射、回?fù)p）、其它信道的干擾（串?dāng)_）等，信號(hào)完整性受到破壞、信噪比（SNR）降低，以至于信號(hào)傳遞可能出現(xiàn)誤碼（BER）。?影響SNR的還有振鈴,EMI, 地彈, 開關(guān)電源噪聲, 熱噪聲, 白噪聲/閃爍噪聲/隨機(jī)噪聲, 環(huán)境變化（溫度、濕度，等）。

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

介質(zhì)損耗：絕緣材料在電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗叫介質(zhì)損耗。在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)流過(guò)的電流相量和電壓相量之間的夾角叫做介質(zhì)損耗角，該角的正切值稱為介質(zhì)損耗因素。

在高速信號(hào)傳輸中，信號(hào)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(lái)的特性像一個(gè)低通濾波器。如下圖所示。

片內(nèi)解決方案-均衡技術(shù)

發(fā)送端：預(yù)加重或去加重

接收端：有源連續(xù)時(shí)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(yù)加重 (Pre-emphasis)：

前面已經(jīng)介紹過(guò)了，信號(hào)傳輸線表現(xiàn)出來(lái)的是低通濾波特性，傳輸過(guò)程中信號(hào)的高頻成分衰減大，低頻成分衰減少。預(yù)加重技術(shù)的思想就是在傳輸線的始端增強(qiáng)信號(hào)的高頻成分，以補(bǔ)償高頻分量在傳輸過(guò)程中的過(guò)大衰減。我們知道，信號(hào)頻率的高低主要是由信號(hào)電平變化的速度決定的，所以信號(hào)的高頻分量主要出現(xiàn)在信號(hào)的上升沿和下降沿處，預(yù)加重技術(shù)就是增強(qiáng)信號(hào)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(shù)的思想跟預(yù)加重技術(shù)有點(diǎn)類似，只是實(shí)現(xiàn)方法有點(diǎn)不同，預(yù)加重是增加信號(hào)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(hào)上升沿和下降沿處的幅度不變，其他地方信號(hào)減弱。如下圖所示。

去加重補(bǔ)償后的信號(hào)擺渡比預(yù)加重補(bǔ)償后的信號(hào)擺幅小，眼圖高度低，功耗小，EMC輻射小。

均衡器：

前面介紹的預(yù)加重和去加重能很好的補(bǔ)償信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗，改善信號(hào)質(zhì)量，但是預(yù)加重和去加重技術(shù)也存在一些缺陷，比如當(dāng)線路上存在串?dāng)_時(shí)，預(yù)加重和去加重會(huì)將高頻串?dāng)_分量放大，增大串?dāng)_的危害。為了彌補(bǔ)預(yù)加重和去加重技術(shù)的缺陷，后來(lái)就出現(xiàn)了均衡技術(shù)。

跟預(yù)加重和去加重不同，均衡技術(shù)在信號(hào)的接收端使用，它的特性相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器。其原理如下：

均衡器實(shí)際上是一個(gè)高通濾波器，下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的高通濾波器，即均衡器。

均衡器通常是用濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用濾波器來(lái)補(bǔ)償失真的脈沖，判決器得到的解調(diào)輸出樣本，是經(jīng)過(guò)均衡器修正過(guò)的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應(yīng)均衡器直接從傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)字信號(hào)中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應(yīng)信道的隨機(jī)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(bǔ)償性能。

前饋均衡器

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

數(shù)字 FIR 濾波器 ：接收端 FIR 濾波器也可以與發(fā)射端預(yù)加重 FIR 濾波器類似的方式實(shí)現(xiàn)。由于 發(fā)射端處理的是離散信號(hào)，其 FIR 濾波器可以實(shí)現(xiàn)為數(shù)字濾波器。然而，離散信 號(hào)經(jīng)過(guò)有損信道之后會(huì)出現(xiàn)扭曲，到達(dá)接收端時(shí)候成了模擬信號(hào)，因此接收端濾 波器應(yīng)該在模擬域（Analog Domain）中實(shí)現(xiàn)。如圖為數(shù)字 FIR 濾波器的實(shí) 現(xiàn)框圖。其中采樣保持放大器(SHA)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，樣本再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。但由于乘法運(yùn)算通常在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)，功耗很大。

該濾波器的實(shí)現(xiàn)遭遇了兩個(gè)瓶頸：（1）關(guān)鍵路徑（Critical Path）限制了濾波 器的工作速度，使其不過(guò)數(shù)百 MHz。移相技術(shù)和并行技術(shù)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(yán)重限制了均衡器的工作速度。當(dāng)數(shù)據(jù)率達(dá)到 GHz 兩級(jí)時(shí)， 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(yīng)用局限在中間速 率的接口中（如寬帶調(diào)制解調(diào)器和硬盤驅(qū)動(dòng)讀取信道）。

模擬 FIR 濾波器

模擬串行鏈路中通常要求將數(shù)十個(gè)鏈路集成在一個(gè)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(wú)需額外的高速 ADC，因此有可能實(shí)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(shí)現(xiàn)，也可以由 DLL 或者 PLL 鎖定的延遲 線實(shí)現(xiàn)。加權(quán)相加功能由模擬乘法器實(shí)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(hào)經(jīng)受很大的衰減，（3）為很高的數(shù)據(jù)率提供精確的延遲時(shí)間也是一個(gè)嚴(yán)重的 挑戰(zhàn)。

連續(xù)時(shí)間濾波器

離散時(shí)間濾波器具有三個(gè)基本的缺陷：（1）SHA 限制了濾波器的 速度，（2）SHA 對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的敏感性惡化了均衡器的性能，（3）采用離散時(shí)間濾 波器的接收器需要額外的時(shí)鐘源。而且，直到均衡功能完成之后，才可以精確地 進(jìn)行時(shí)鐘對(duì)齊。為解決這個(gè)問(wèn)題，串行鏈路采用具有分離的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信道的源 同步（Source-synchronous）接口來(lái)實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間 FIR 均衡器。

由于無(wú)需采樣保持電路，連續(xù)時(shí)間濾波器可以減輕以上采樣和速率的問(wèn)題。

判決反饋均衡器

諸如LTE的線性均衡器為了補(bǔ)償信道的深度零點(diǎn)而增大增益從而也放大了噪聲，因此在有深度譜零點(diǎn)的帶通信道中線性均衡器性能不佳。然而對(duì)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(hào)經(jīng)檢測(cè)和判決以后，它對(duì)隨后信號(hào)的于擾在其檢測(cè)之前可以被估計(jì)并消減。其結(jié)構(gòu)如圖所示。包括兩個(gè)抽頭延遲濾波器：一個(gè)是前向?yàn)V波器(FFF)，另一個(gè)是反向?yàn)V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(shù)可以通過(guò)調(diào)整減弱當(dāng)前估計(jì)中的碼間干擾。其中FFF抽頭系數(shù)的個(gè)數(shù)為L(zhǎng)而FBF抽頭系數(shù)的個(gè)數(shù)為M。

判決反饋均衡器(DFE)的結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)判決差錯(cuò)對(duì)性能的影響可忽略時(shí)DFE優(yōu)于線性均衡器，顯而易見相對(duì)于線性均衡器加入判決反饋部分可得到性能上相當(dāng)大的改善，反饋部分消除了由先前被檢測(cè)符號(hào)引起的符號(hào)間干擾，例如相對(duì)于LTE較小的噪聲增益和MSE,相對(duì)于MLSE和格型結(jié)構(gòu)的低運(yùn)算復(fù)雜度、相對(duì)于橫向結(jié)構(gòu)更容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)性能等等。然而DFE結(jié)構(gòu)面臨的主要問(wèn)題之一是錯(cuò)誤傳播，錯(cuò)誤傳播是由于對(duì)信息的不正確判決而產(chǎn)生的，錯(cuò)誤信息的反饋會(huì)影響FBF部分從而影響未來(lái)信息的判決；另一問(wèn)題是移動(dòng)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(gè)碼元波形重疊在一起，從而形成眼圖。其是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改善（通過(guò)調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時(shí)在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個(gè)示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)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(shí)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?dāng)_和噪聲的影響，體現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)整體的特征，從而可以估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度，因而眼圖分析是高速互連系統(tǒng)信號(hào)完整性分析的核心。另外也可以用此圖形對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_，改善系統(tǒng)的傳輸性能。

在無(wú)碼間串?dāng)_和噪聲的理想情況下，波形無(wú)失真，每個(gè)碼元將重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線又細(xì)又清晰的“眼睛”，“眼”開啟得最大。當(dāng)有碼間串?dāng)_時(shí)，波形失真，碼元不完全重合，眼圖的跡線就會(huì)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?dāng)_的強(qiáng)弱。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串?dāng)_和噪聲的影響，可評(píng)價(jià)一個(gè)基帶傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。另外也可以用此圖形對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_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(lái)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?dāng)_影響而抽樣再生的時(shí)間間隔。顯然，最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)選在眼睛張開最大的時(shí)刻。（2）眼圖斜邊的斜率，表示系統(tǒng)對(duì)定時(shí)抖動(dòng)（或誤差）的靈敏度，斜率越大，系統(tǒng)對(duì)定時(shí)抖動(dòng)越敏感。（3）眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號(hào)零點(diǎn)的變化范圍，稱為零點(diǎn)失真量，在許多接收設(shè)備中，定時(shí)信息是由信號(hào)零點(diǎn)位置來(lái)提取的，對(duì)于這種設(shè)備零點(diǎn)失真量很重要。（4）在抽樣時(shí)刻，陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號(hào)失真量。（5）在抽樣時(shí)刻上、下兩陰影區(qū)間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時(shí)值超過(guò)它就有可能發(fā)生錯(cuò)誤判決。（6）橫軸對(duì)應(yīng)判決門限電平。