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原创 预加重的魔法 #D0110

2017-6-16 08:44 1797 0 分类: 通信

无线通信中会采用预失真的方法补偿功放的非线性,对于有线通信也是这样的。


很多常用的电路板材料或者电缆在高频时都会呈现出高损耗的特性。目前的高速串行总线速度不断提升,使得流行的电路板材料达到极限从而对信号有较大的损耗,这可能导致接收端的信号极其恶劣以至于无法正确还原和解码信号,从而出现传输误码。


如果我们观察高速的数字信号经过长的传输通道传输后到达接收端的眼图,它可能是闭合的或者接近闭合的。因此工程师可以有两种选择,一种是在设计中使用较为昂贵的电路板材料,另一种是仍然沿用现有材料,但采用某种技术来补偿传输通道的损耗影响。考虑到在高速率的情况下低损耗的电路板材料和电缆的成本太高,我们通常都会优先尝试相应的信号补偿技术,预加重和均衡就是高速数字电路里最常用的两种信号补偿技术。


通常情况下预加重技术使用在信号的发送端,通过预先对信号的高频分量进行增强来补偿传输通道的损耗。预加重技术由于实现起来相对简单,所以在很多数据速率超过1Gb/s的总线中广泛使用,比如PCI-E、SATA、USB3.0、Displayport等很多总线中都有使用。当信号速率进一步提高以后,传输通道的高频损耗更加严重,仅仅靠发送端的预加重已经不太够用,所以很多高速的总线除了对预加重的阶数进一步提高以外,还会在接收端采用复杂的均衡技术,比如PCI-E3.0、SATA Gen3、USB3.0、Displayport HBR2、10GBase-KR等总线中都在接收端采用了均衡技术。采用了这些技术后,FR4等传统廉价的电路板材料也可以应用于高速的数字信号传输中,从而节约了系统实现的成本。


预加重(Pre-emphasis)是一种在发送端事先对发送信号的高频分量进行补偿的方法,这种方法的实现是通过增大信号跳变边沿后第一个bit(跳变bit)的幅度(预加重)来完成的。


比如对于一个00111的比特序列来说,做完预加重后序列里第一个1的幅度会比第二个和第三个1的幅度大。由于跳变比特代表了信号里的高频分量,所以这种方法实际上提高了发送信号里的高频信号的能量。在实际实现时,有时并不是增加跳变bit的幅度,而是相应减小非跳变比特的幅度,减小非跳变比特幅度的这种方法有时又叫去加重(De-emphasis)。下图反映的是预加重后信号波形的变化。

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对于预加重技术来说,其对信号改善的效果取决于其预加重的幅度的大小,预加重的幅度是指经过预加重后跳变比特相对于非跳变比特幅度的变化。预加重幅度的计算公式如下图所示。数字总线中经常使用的预加重有3.5dB、6dB、9.5dB等。对于6dB的预加重来说,相当于在发送端看,跳变比特的电压幅度是非跳变比特电压幅度的2倍。

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简单的预加重对信号的频谱改善并不是完美的,比如其频率响应曲线并不一定和实际的传输通道的损耗曲线相匹配,所以高速率的总线会采用阶数更高、更复杂的预加重技术。如下图所示是一个3阶的预加重,其除了对跳变沿后面的第1个比特进行预加重处理外,跳变沿之后的第2个比特的幅度也有变化。跳变沿后第1个比特的幅度变化有时也叫Post Cursor1,跳变沿后的第2个比特的幅度变化有时也叫Post Cursor2。有些总线如PCI-E3.0,会对跳变沿前面的1个比特的幅度也进行调整,叫做Pre Cursor1,有时也称为PreShoot。

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由于真正的预加重电路在实现的时候需要有相应的放大电路来增加跳变比特的幅度,电路比较复杂而且增加系统功耗,所以在实际应用时更多采用的是去加重的方式(De-Emphasis)。去加重技术不是增大跳变比特的幅度,而是减小非跳变比特的幅度,从而得到和预加重类似的信号波形。下图是对一个10Gbps的信号进行-3.5dB的去加重后对频谱的影响。可以看到,去加重主要是通过压缩信号的直流和低频分量(长0或者长1的比特流),从而改善其在传输过程中可能造成的对短的0或者短1比特的影响。

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最简单的去加重实现方法是把输出信号延时一个或多个比特后乘以一个加权系数并和原信号相加。下图是一个实现4阶去加重的简单原理图。

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去加重方法实际上压缩了信号直流电平的幅度,去加重的比例越大,信号直流电平被压缩得越厉害,因此去加重的幅度在实际应用中一般很少超过-9.5dB。

做完预加重或者去加重的信号,如果在信号的发送端(TX)直接观察,并不是理想的眼图。下图所示是在发送端看到的一个带-3.5dB预加重的10Gbps的信号眼图,从中可以看到有明显的“双眼皮”现象。

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如果预加重的设置和传输通道造成的损耗近似匹配,这样的信号虽然在发送端看起来眼图质量不理想,但是经过传输通道传输到达接收短后,看到的信号眼图还是不错的。这是由于信号经过PCB或电缆传输以后,高频分量会衰减,跳变bit的幅度衰减会比非跳变bit大很多。因此通常在信号的接收端(RX)是看不到前面图中明显的预加重或去加重效果的,而是改善后的眼图。因此从本质上说,预加重或去加重也属于一种信号的预失真技术。


另外需要注意的一点是,预加重或者去加重的参数设置需要和该信号传输通道的损耗特性相匹配才能得到比较好的信号改善效果。下面的几张图反映的是一个10Gbps的信号通过一根普通的5m长的SMA电缆传输以后的眼图。


下图是在发送端没有进行任何信号处理时在接收端看到的信号眼图,可以看出信号经传输后已经有比较大的恶化。

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下图是在发送端进行了-3.5dB的去加重后在接收端看到的眼图,可以看到通过去加重虽然眼图的幅度减小了(低频分量被压缩),但是整体的眼图张开程度反而更大了(眼高增加),这是个合适的去加重设置。

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下图是在发送端进行了-6dB的去加重后在接收端看到的眼图,由于去加重补偿有点过头,眼图中出现明显的过冲,眼图张开度的改善情况反而不如使用-3.5dB去加重的时候。在这种情况下如果继续增加去加重的幅度,得到的眼图可能甚至会比不使用去加重技术时更加恶劣。

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因此,任何去加重或者预加重系数的设置都需要和传输通道的损耗特性相匹配。在实际应用中,很多高速的数字电路会根据实际走线的长短调整预加重或去加重的幅度,从而在接收端得到最好的眼图效果。


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