高速信号传输链路的损耗和均衡

前情回顾

在《做信号链，你需要了解的高速信号知识（二）》中，我们探讨了高速信号传输中的抖动和眼图测量。通过泰克示波器和TekExpress软件，工程师们可以测量和分析抖动成分，从而优化设计，确保信号传输的可靠性和完整性。接下来，我们将深入讨论高速信号传输链路的损耗和均衡。

引言

高速总线升级迭代的矛盾在于，消费者对性能的需求驱动着信号速率成倍的增长，消费者对便捷性的需求使得传输线无法缩短，消费者对低成本的追求要求PCB板材和传输线不能太贵，这就导致ISI抖动变得越来越严重。均衡（Equalization）就是为了应对ISI抖动，而被广泛应用的黑科技。既然ISI抖动的根源，是传输链路对不同频率信号损耗的差异，均衡就是要想办法补偿掉这个差异，让不同频率信号的幅度都能保持均匀。根据均衡技术所使用的位置，一般分为发送端均衡（Tx EQ）和接收端均衡（Rx EQ）。

发送端均衡（Tx EQ）

发送端均衡一般采用前向均衡（FFE, Feed Forward Equalization) 技术，用一组移位寄存器配合乘法器和加法器，根据当前bit位r(n)受到前若干bits r(n-1) 、r(n-2) 、r(n-3)…的影响，来修正r(n)的电压值。典型的表达式是：

e(n)=r(n)*k1+r(n-1)*k2+…

这个表达式有N项，就称之为N阶FFE，代表当前bit的电平，受到自身及前(N-1) bits的影响。在高速串行中应用最广泛的“预加重/去加重“(Pre/De-emphasis)技术，就是一个二阶的FFE，它会根据当前bit和前1 bit的逻辑状态，来调整当前bit的电平。

发送端均衡案例

我们来看一个Pre-emphasis的真实案例。当发送端的信号不做任何处理时，发送端眼图是很完美的；一旦信号经过长背板传输之后，严重的ISI抖动会导致眼图几乎闭合（例1）。当发送端增加3.5dB预加重时，会将频率较高的跳变沿信号（Transition Bits，指的是与前一bit逻辑状态不同的bit，如01码型中的1，或110码型中的0等）的幅度增强3.5dB。这些预先的增强会部分抵消长背板的损耗，从而不同码型的电平在到达接收端时基本相等，ISI抖动就大幅降低了。接收端的眼图无论是眼高眼宽，还是抖动，都有非常明显的改善（例2）。

图20：发送端均衡对眼图的影响

接收端均衡（Rx EQ）

如果说发送端均衡是未雨绸缪，那么接收端均衡就是亡羊补牢。当ISI 抖动已经传递到了接收端，接收端应该如何进行均衡，尝试得到更好的眼图呢？接收端均衡一般采用CTLE（连续时间线性均衡）或DFE（负反馈均衡），或二者结合的方式，来降低数据的ISI抖动。

DFE均衡和FFE类似，不同的是DFE有负反馈调节功能。通过负反馈，可以自适应均衡系数，以达到最佳的均衡效果。同时，DFE不仅能消除ISI抖动，对于通道间的串扰也能提供一定的补偿效果，对于信号完整性的提升用处很大。

CTLE的实现方法和FIR滤波器有点像，实现的是一个近似带通滤波器的效果。下图是一组典型的CTLE滤波器，低频衰减大，而高频衰减小。这个滤波曲线，和传输链路的损耗正好形成互补（传输链路插入损耗是低频衰减小，而高频衰减大）。在接收端，实现了不同频率间均匀的总体损耗，从而降低了ISI抖动。CTLE和DFE/FFE不同，它不依赖参考时钟，在连续时间域上对信号进行均衡；而DFE/FFE是数字域上的均衡，必须要先有参考时钟，来区分不同的bit，才能进行均衡。接收端常常使用CTLE和DFE的组合，先用CTLE打开近乎闭合的眼图，恢复出时钟，再用DFE进一步均衡补偿。

图21：典型的CTLE均衡类似于带通滤波器

链路损耗与均衡技术的综合考虑

设计工程师为了解决ISI问题，常常需要在链路损耗和均衡技术之间做出综合考虑。泰克的SDLA软件可以模拟发送端的Tx EQ和接收端的Rx EQ，还能模拟传输链路的不同损耗。

图22：SDLA软件支持发送端、接收端均衡，以及链路嵌入/去嵌模拟

让你在产品设计的初期，就能预估链路的ISI抖动，探索和尝试最佳的均衡组合以降低ISI抖动，大幅减少产品研发的时间。

图23：发送端眼图，通过SDLA通道嵌入得到的接收端眼图，通过SDLA接收机均衡得到的最终眼图

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