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| 本文作者： 矽說 | 2016-12-24 09:27 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者唐良曉，北京大學(xué)博士生，UCLA訪問學(xué)者，矽說（微信號(hào)：silicon_talks）主筆。
在《為什么最近Wireline SerDes這么火》中，我們從應(yīng)用背景的角度介紹Wireline SerDes。今天我們主要給大家介紹一下wireline SerDes的關(guān)鍵技術(shù)之一：均衡技術(shù)。
目前有線高速數(shù)據(jù)傳輸（從數(shù)據(jù)中心到USB3.0）幾乎或多或少都會(huì)用到以下介紹的均衡技術(shù)之一。
在介紹均衡之前，我們首先來了解一下Wireline Serdes系統(tǒng)。Serdes系統(tǒng)通常包含發(fā)送機(jī)（Transmitter，TX）、接收機(jī)（Receiver，RX）和傳輸通道（channel）三個(gè)部分。其中，發(fā)送機(jī)負(fù)責(zé)將并行的多路信號(hào)串化為單路信號(hào)，并將信號(hào)送入傳輸通道。接收機(jī)則負(fù)責(zé)接收串行信號(hào)，并將其解串化為多路信號(hào)。
圖 1 常見的SerDes系統(tǒng)
如果傳輸通道是理想無損的傳輸線，那么發(fā)送機(jī)發(fā)送的信號(hào)就會(huì)完好無損的出現(xiàn)在接收端；接收機(jī)自然可以非常容易地恢復(fù)信號(hào)。然而，現(xiàn)實(shí)是由于傳輸通道存在趨膚效應(yīng)和介質(zhì)本身的損耗，傳輸通道往往表現(xiàn)出低通的特性。趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的損耗與信號(hào)頻率的平方根成正比，而介質(zhì)自身損耗與頻率成正比。因此在頻率較低時(shí)，通道的損耗主要由趨膚效應(yīng)決定；而對(duì)于傳輸高頻信號(hào)的通道，通常介質(zhì)的損耗起主導(dǎo)作用。
圖 2 PCB走線損耗與頻率的關(guān)系
這里有一點(diǎn)需要說明的是，真正影響信號(hào)可靠傳輸?shù)牟皇撬p本身，而是信道的衰減隨頻率變化。高低頻信號(hào)的衰減差最終會(huì)導(dǎo)致碼間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI）。字面理解，碼間干擾就是不同碼元相互干擾。比如說，A時(shí)刻傳輸?shù)摹?”信號(hào)疊加到了B時(shí)刻傳輸?shù)摹?”信號(hào)上，使B時(shí)刻的信號(hào)幅度從0變?yōu)?.2。為什么高低頻信號(hào)的衰減差就會(huì)導(dǎo)致碼間干擾呢？因?yàn)樾盘?hào)高頻分量的損失會(huì)使得信號(hào)邊沿變緩，從而導(dǎo)致信號(hào)展寬。展寬后的信號(hào)可能會(huì)跨越多個(gè)單位時(shí)間間隔（1UI），就會(huì)出現(xiàn)上文提到的A時(shí)刻的信號(hào)疊加到B時(shí)刻上。信道的衰減越大，信號(hào)的展寬就越嚴(yán)重，疊加到其他時(shí)刻的信號(hào)上的比例也會(huì)越大。換句話說，SerDes系統(tǒng)需要真正解決并不是信號(hào)的衰減，而是高低頻信號(hào)的衰減差。
圖 3 信道衰減導(dǎo)致沖激響應(yīng)展寬
通常我們會(huì)用眼圖（eye diagram）來表征接收到信號(hào)的質(zhì)量。眼圖是將信號(hào)按單位時(shí)間間隔截取并疊加到一起得到波形圖，形狀類似與眼睛。只有當(dāng)信號(hào)的眼圖張開時(shí)，判決得到的信號(hào)才是無誤碼的。比如對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)（近似只含有一個(gè)頻率分量）而言，在不考慮反射和噪聲等情況下，即使經(jīng)歷了很大的衰減，其眼圖仍然是張開的。接收端只需要放大信號(hào)，而不需要提供任何均衡補(bǔ)償。但是對(duì)于一般的隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)，其頻譜分量非常豐富，包含從低頻到高頻的各種分量，因此如果高低頻衰減差比較大，眼圖就會(huì)閉合導(dǎo)致在接受端產(chǎn)生誤碼。
圖 4 閉合的眼圖和睜開的眼圖
除了走線的導(dǎo)致的信號(hào)衰減外，另一個(gè)問題是芯片的封裝以及PCB板的過孔（Via）將會(huì)引入阻抗非連續(xù)性，最終導(dǎo)致信號(hào)的反射和諧振。在信道中來回反射的信號(hào)將會(huì)疊加到接收端，也會(huì)形成碼間干擾；而諧振則會(huì)將特定頻率的信號(hào)濾除，在諧振頻率處形成巨大的插入損耗。這一點(diǎn)體現(xiàn)在頻率響應(yīng)上，就是頻率響應(yīng)在諧振頻率的深度凹陷。
圖 5 (a)PCB的過孔引入的stub；以及(b)有/無stub的傳輸線的衰減變化 [Elad Alon, UC Berkeley]
信道的非理想性使信號(hào)產(chǎn)生碼間干擾，導(dǎo)致信號(hào)的眼圖閉合。而均衡就是在發(fā)送端或接收端補(bǔ)償信道的非理想性，消除碼間干擾，從而使接收端的眼圖重新張開。從頻域上理解，均衡是通過高通濾波器補(bǔ)償信道的低通特性；從時(shí)域上理解，均衡是對(duì)脈沖響應(yīng)信號(hào)（pulse response）重新塑形，把其能量限制在一個(gè)時(shí)間間隔（1UI）之內(nèi)，從而避免碼間干擾。
圖 6 均衡示意圖 [Sam Palermo, TAMU]
常見收發(fā)器的均衡系統(tǒng)通常由發(fā)送端的前饋均衡（Feed Forward Equalizer，F(xiàn)FE），接收端的連續(xù)時(shí)間線性均衡（Continuous Time Linear Equalizer，CTLE）和判決反饋均衡（Decision Feedback Equalizer，DFE）組成。
圖 7 常見收發(fā)器架構(gòu)框圖
1.前饋均衡（Feed Forward Equalizer，F(xiàn)FE）
FFE是SerDes系統(tǒng)中最常用的均衡技術(shù)。為了緩解接收端均衡的壓力，通常SerDes的發(fā)送端會(huì)使用FFE技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)均衡。FFE通常是通過有限沖激響應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)的，即將延時(shí)的信號(hào)按不同的權(quán)重（w-1，w0，…，wn）相加?？刂茩?quán)重的大小即可調(diào)整均衡強(qiáng)度。FFE的實(shí)質(zhì)是使用數(shù)字線性高通濾波器提高信號(hào)的高頻分量，實(shí)現(xiàn)信道的補(bǔ)償。
圖 8 FFE 示意圖
還有一種更加通俗的理解。信道對(duì)信號(hào)的損耗主要出現(xiàn)在從0到1或從1到0跳轉(zhuǎn)過程。而當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)是一串1或一串0時(shí)，信號(hào)經(jīng)歷的衰減較小。因此，采用FFE技術(shù)的發(fā)送器就是在信號(hào)發(fā)生跳轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)送更多的能量，從而補(bǔ)償跳轉(zhuǎn)時(shí)的衰減。這種解釋不一定準(zhǔn)確，但可以幫助大家更容易理解FFE技術(shù)。
FFE實(shí)現(xiàn)方式簡單，因此廣泛地被應(yīng)用于SerDes系統(tǒng)中。然而對(duì)于發(fā)送機(jī)而言，其輸出最大擺幅往往受限于電源電壓，因此無法無限增大。這就導(dǎo)致信號(hào)的實(shí)際擺幅隨著FFE均衡強(qiáng)度地提高而減小。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，F(xiàn)FE的均衡強(qiáng)度通常小于10dB，從而保證信號(hào)的實(shí)際擺幅。
2.連續(xù)時(shí)間線性均衡（Continuous Time Linear Equalizer，CTLE）
CTLE技術(shù)的工作原理是直接通過線性模擬高通濾波器擬合信道的衰減，實(shí)現(xiàn)信道的補(bǔ)償。信道的頻率響應(yīng)可以看做是一個(gè)低通濾波器。因此將信道和一個(gè)高通濾波器串聯(lián)就能得到一個(gè)全通的濾波器。當(dāng)然，在實(shí)際的模擬電路中并不存在高通濾波器，但是只要保證我們關(guān)心的帶寬內(nèi)呈現(xiàn)高通的特性就能滿足均衡的要求。
圖 9 CTLE電路與傳輸函數(shù) [JSSC 2007]
需要說明的是，CTLE電路并不是放大高頻信號(hào)，而是通過減小低頻信號(hào)的方式補(bǔ)償高低頻的衰減差。因此，通常CTLE電路會(huì)與放大器配合使用。而CTLE最為人詬病的缺點(diǎn)是其在放大高頻信號(hào)的同時(shí)也會(huì)放大高頻噪聲，因此會(huì)降低信噪比。此外，高頻的CTLE電路需要保證非常大的帶寬（通常稍大于信號(hào)的奈奎斯特頻率），因此需要非常大的靜態(tài)電流；同時(shí)，需要電感進(jìn)行擴(kuò)頻，改善其頻率響應(yīng)。因此，CTLE往往伴隨著巨大的面積和功耗開銷。
3.判決反饋均衡（Decision Feedback Equalizer，DFE）
判決反饋均衡，顧名思義，就是將判決后的信號(hào)反饋到輸入信號(hào)上。與FFE類似，DFE也是通過數(shù)字高頻濾波器實(shí)現(xiàn)的。各個(gè)支路的權(quán)重則決定了均衡的強(qiáng)度。但與FFE不同的是，DFE是一種非線性均衡技術(shù)：判決后的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，而不是原輸入信號(hào)經(jīng)過延時(shí)得到的。因此，DFE可以只放大高頻信號(hào)，而不放大高頻噪聲。
圖 10 DFE電路的工作原理 [JSSCC 2009]
從時(shí)域上理解，DFE技術(shù)其實(shí)是在將信號(hào)的脈沖響應(yīng)重新塑形。信道的低通特性使信號(hào)展寬，形成了長長的拖尾。前一個(gè)信號(hào)的拖尾既是對(duì)下一個(gè)信號(hào)碼間干擾。而DFE是通過反饋消去信號(hào)的拖尾，將信號(hào)重新限制在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)（1UI）。
然而DFE的缺點(diǎn)也十分明顯。因?yàn)槠湓硪蕾囉诜答伃h(huán)路，因此要求信號(hào)經(jīng)過判決器和反饋網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路延時(shí)小于一個(gè)單位時(shí)間間隔（1UI）。只有滿足這樣的條件，反饋回來的信號(hào)才能消去相鄰點(diǎn)上的碼間干擾。因此，對(duì)于超高速SerDes而言，設(shè)計(jì)DFE是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情。
本文介紹了wireline高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)木饧夹g(shù)，該技術(shù)目前已經(jīng)廣泛地用在各大高速有線數(shù)據(jù)傳輸中。下一期文章我們計(jì)劃介紹一些前沿性的wireline技術(shù)，敬請(qǐng)期待。
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