做信號鏈，你需要了解的高速信號知識（三）

—— 高速的挑戰(zhàn)–傳輸鏈路的損耗和均衡

作者：泰克科技中國AE Manager，余洋時間：2024-04-08 來源：EEPW

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本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202404/457241.htm

高速總線升級迭代的矛盾在于，消費者對性能的需求驅(qū)動著信號速率成倍的增長，消費者對便捷性的需求使得傳輸線無法縮短，消費者對低成本的追求要求PCB板材和傳輸線不能太貴，這就導(dǎo)致ISI抖動變得越來越嚴(yán)重。均衡(Equalization)就是為了應(yīng)對ISI抖動，而被廣泛應(yīng)用的黑科技。既然ISI抖動的根源，是傳輸鏈路對不同頻率信號損耗的差異，均衡就是要想辦法補償?shù)暨@個差異，讓不同頻率信號的幅度都能保持均勻。

根據(jù)均衡技術(shù)所使用的位置，一般分為發(fā)送端均衡(Tx EQ)和接收端均衡(Rx EQ)。

發(fā)送端均衡一般采用前向均衡（FFE, Feed Forward Equalization) 技術(shù)，用一組移位寄存器配合乘法器和加法器，根據(jù)當(dāng)前bit位r(n)受到前若干bits r(n-1) 、r(n-2) 、r(n-3)…的影響，來修正r(n)的電壓值。典型的表達(dá)式是：

e(n)=r(n)*k1+r(n-1)*k2+…

這個表達(dá)式有N項，就稱之為N階FFE，代表當(dāng)前bit的電平，受到自身及前(N-1) bits的影響。在高速串行中應(yīng)用最廣泛的“預(yù)加重/去加重“(Pre/De-emphasis)技術(shù)，就是一個二階的FFE，它會根據(jù)當(dāng)前bit和前1 bit的邏輯狀態(tài)，來調(diào)整當(dāng)前bit的電平。

我們來看一個Pre-emphasis的真實案例。當(dāng)發(fā)送端的信號不做任何處理時，發(fā)送端眼圖是很完美的；一旦信號經(jīng)過長背板傳輸之后，嚴(yán)重的ISI抖動會導(dǎo)致眼圖幾乎閉合(例1)。當(dāng)發(fā)送端增加3.5dB預(yù)加重時，會將頻率較高的跳變沿信號(Transition Bits，指的是與前一bit邏輯狀態(tài)不同的bit，如01碼型中的1，或110碼型中的0等) 的幅度增強3.5dB。這些預(yù)先的增強會部分抵消長背板的損耗，從而不同碼型的電平在到達(dá)接收端時基本相等，ISI抖動就大幅降低了。接收端的眼圖無論是眼高眼寬，還是抖動，都有非常明顯的改善(例2)。

圖20 發(fā)送端均衡對眼圖的影響

如果說發(fā)送端均衡是未雨綢繆，那么接收端均衡就是亡羊補牢。當(dāng)ISI 抖動已經(jīng)傳遞到了接收端，接收端應(yīng)該如何進(jìn)行均衡，嘗試得到更好的眼圖呢？接收端均衡一般采用CTLE(連續(xù)時間線性均衡)或DFE（負(fù)反饋均衡），或二者結(jié)合的方式，來降低數(shù)據(jù)的ISI抖動。

DFE均衡和FFE類似，不同的是DFE有負(fù)反饋調(diào)節(jié)功能。通過負(fù)反饋，可以自適應(yīng)均衡系數(shù)，以達(dá)到最佳的均衡效果。同時, DFE不僅能消除ISI抖動，對于通道間的串?dāng)_也能提供一定的補償效果，對于信號完整性的提升用處很大。

CTLE 的實現(xiàn)方法和FIR濾波器有點像，實現(xiàn)的是一個近似帶通濾波器的效果。下圖是一組典型的CTLE濾波器，低頻衰減大，而高頻衰減小。這個濾波曲線，和傳輸鏈路的損耗正好形成互補(傳輸鏈路插入損耗是低頻衰減小，而高頻衰減大)。在接收端，實現(xiàn)了不同頻率間均勻的總體損耗，從而降低了ISI抖動。CTLE和DFE/FFE不同，它不依賴參考時鐘，在連續(xù)時間域上對信號進(jìn)行均衡；而DFE/FFE是數(shù)字域上的均衡，必須要先有參考時鐘，來區(qū)分不同的bit，才能進(jìn)行均衡。接收端常常使用CTLE和DFE的組合，先用CTLE打開近乎閉合的眼圖，恢復(fù)出時鐘，再用DFE進(jìn)一步均衡補償。