科普：Wireline SerDes，高速信号的均衡技术

kingntpcb · 发表于 2020-5-13 20:03:04

什么是均衡？

在介绍均衡之前，我们首先来了解一下Wireline Serdes系统。Serdes系统通常包含发送机（Transmitter，TX）、接收机（Receiver，RX）和传输通道（channel）三个部分。其中，发送机负责将并行的多路信号串化为单路信号，并将信号送入传输通道。接收机则负责接收串行信号，并将其解串化为多路信号。

图 1 常见的SerDes系统

如果传输通道是理想无损的传输线，那么发送机发送的信号就会完好无损的出现在接收端；接收机自然可以非常容易地恢复信号。然而，现实是由于传输通道存在趋肤效应和介质本身的损耗，传输通道往往表现出低通的特性。趋肤效应导致的损耗与信号频率的平方根成正比，而介质自身损耗与频率成正比。因此在频率较低时，通道的损耗主要由趋肤效应决定；而对于传输高频信号的通道，通常介质的损耗起主导作用。

图 2 PCB走线损耗与频率的关系

这里有一点需要说明的是，真正影响信号可靠传输的不是衰减本身，而是信道的衰减随频率变化。高低频信号的衰减差最终会导致码间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI）。字面理解，码间干扰就是不同码元相互干扰。比如说，A时刻传输的“1”信号叠加到了B时刻传输的“0”信号上，使B时刻的信号幅度从0变为0.2。为什么高低频信号的衰减差就会导致码间干扰呢？因为信号高频分量的损失会使得信号边沿变缓，从而导致信号展宽。展宽后的信号可能会跨越多个单位时间间隔（1UI），就会出现上文提到的A时刻的信号叠加到B时刻上。信道的衰减越大，信号的展宽就越严重，叠加到其他时刻的信号上的比例也会越大。换句话说，SerDes系统需要真正解决并不是信号的衰减，而是高低频信号的衰减差。

图 3 信道衰减导致冲激响应展宽

通常我们会用眼图（eye diagram）来表征接收到信号的质量。眼图是将信号按单位时间间隔截取并叠加到一起得到波形图，形状类似与眼睛。只有当信号的眼图张开时，判决得到的信号才是无误码的。比如对于时钟信号（近似只含有一个频率分量）而言，在不考虑反射和噪声等情况下，即使经历了很大的衰减，其眼图仍然是张开的。接收端只需要放大信号，而不需要提供任何均衡补偿。但是对于一般的随机数据信号，其频谱分量非常丰富，包含从低频到高频的各种分量，因此如果高低频衰减差比较大，眼图就会闭合导致在接受端产生误码。

图 4 闭合的眼图和睁开的眼图

除了走线的导致的信号衰减外，另一个问题是芯片的封装以及PCB板的过孔（Via）将会引入阻抗非连续性，最终导致信号的反射和谐振。在信道中来回反射的信号将会叠加到接收端，也会形成码间干扰；而谐振则会将特定频率的信号滤除，在谐振频率处形成巨大的插入损耗。这一点体现在频率响应上，就是频率响应在谐振频率的深度凹陷。

图 5 (a)PCB的过孔引入的stub；以及(b)有/无stub的传输线的衰减变化 [Elad Alon, UC Berkeley]

信道的非理想性使信号产生码间干扰，导致信号的眼图闭合。而均衡就是在发送端或接收端补偿信道的非理想性，消除码间干扰，从而使接收端的眼图重新张开。从频域上理解，均衡是通过高通滤波器补偿信道的低通特性；从时域上理解，均衡是对脉冲响应信号（pulse response）重新塑形，把其能量限制在一个时间间隔（1UI）之内，从而避免码间干扰。

图 6 均衡示意图 [Sam Palermo, TAMU]

常见的均衡技术

常见收发器的均衡系统通常由发送端的前馈均衡（Feed Forward Equalizer，FFE），接收端的连续时间线性均衡（Continuous Time Linear Equalizer，CTLE）和判决反馈均衡（Decision Feedback Equalizer，DFE）组成。

图 7 常见收发器架构框图

1.前馈均衡（Feed Forward Equalizer，FFE）

FFE是SerDes系统中最常用的均衡技术。为了缓解接收端均衡的压力，通常SerDes的发送端会使用FFE技术对信号进行预均衡。FFE通常是通过有限冲激响应滤波器实现的，即将延时的信号按不同的权重（w-1，w0，…，wn）相加。控制权重的大小即可调整均衡强度。FFE的实质是使用数字线性高通滤波器提高信号的高频分量，实现信道的补偿。

图 8 FFE 示意图

还有一种更加通俗的理解。信道对信号的损耗主要出现在从0到1或从1到0跳转过程。而当传输的信号是一串1或一串0时，信号经历的衰减较小。因此，采用FFE技术的发送器就是在信号发生跳转时发送更多的能量，从而补偿跳转时的衰减。这种解释不一定准确，但可以帮助大家更容易理解FFE技术。
FFE实现方式简单，因此广泛地被应用于SerDes系统中。然而对于发送机而言，其输出最大摆幅往往受限于电源电压，因此无法无限增大。这就导致信号的实际摆幅随着FFE均衡强度地提高而减小。因此，在实际设计中，FFE的均衡强度通常小于10dB，从而保证信号的实际摆幅。
2.连续时间线性均衡（Continuous Time Linear Equalizer，CTLE）
CTLE技术的工作原理是直接通过线性模拟高通滤波器拟合信道的衰减，实现信道的补偿。信道的频率响应可以看做是一个低通滤波器。因此将信道和一个高通滤波器串联就能得到一个全通的滤波器。当然，在实际的模拟电路中并不存在高通滤波器，但是只要保证我们关心的带宽内呈现高通的特性就能满足均衡的要求。

图 9 CTLE电路与传输函数 [JSSC 2007]

需要说明的是，CTLE电路并不是放大高频信号，而是通过减小低频信号的方式补偿高低频的衰减差。因此，通常CTLE电路会与放大器配合使用。而CTLE最为人诟病的缺点是其在放大高频信号的同时也会放大高频噪声，因此会降低信噪比。此外，高频的CTLE电路需要保证非常大的带宽（通常稍大于信号的奈奎斯特频率），因此需要非常大的静态电流；同时，需要电感进行扩频，改善其频率响应。因此，CTLE往往伴随着巨大的面积和功耗开销。
3.判决反馈均衡（Decision Feedback Equalizer，DFE）
判决反馈均衡，顾名思义，就是将判决后的信号反馈到输入信号上。与FFE类似，DFE也是通过数字高频滤波器实现的。各个支路的权重则决定了均衡的强度。但与FFE不同的是，DFE是一种非线性均衡技术：判决后的信号为数字信号，而不是原输入信号经过延时得到的。因此，DFE可以只放大高频信号，而不放大高频噪声。

图 10 DFE电路的工作原理 [JSSCC 2009]

从时域上理解，DFE技术其实是在将信号的脉冲响应重新塑形。信道的低通特性使信号展宽，形成了长长的拖尾。前一个信号的拖尾既是对下一个信号码间干扰。而DFE是通过反馈消去信号的拖尾，将信号重新限制在一个时间间隔内（1UI）。
然而DFE的缺点也十分明显。因为其原理依赖于反馈环路，因此要求信号经过判决器和反馈网络的环路延时小于一个单位时间间隔（1UI）。只有满足这样的条件，反馈回来的信号才能消去相邻点上的码间干扰。因此，对于超高速SerDes而言，设计DFE是一件非常具有挑战性的事情。