本文作者唐良曉,，北京大學(xué)博士生,，UCLA訪問(wèn)學(xué)者。本文首發(fā)雷鋒網(wǎng)

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,。

| 什么是均衡,？

在介紹均衡之前，我們首先來(lái)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(jiàn)的SerDes系統(tǒng)

如果傳輸通道是理想無(wú)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(wú)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?yè)p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(shuō)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(shuō)，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(shuō),，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(lái)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(kāi)時(shí),，判決得到的信號(hào)才是無(wú)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(kāi)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(kāi)的眼圖

除了走線的導(dǎo)致的信號(hào)衰減外,，另一個(gè)問(wèn)題是芯片的封裝以及PCB板的過(guò)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(lái)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(guò)孔引入的stub,；以及(b)有/無(wú)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(kāi),。從頻域上理解,，均衡是通過(guò)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(jiàn)的均衡技術(shù)

常見(jiàn)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(jiàn)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(guò)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,。控制權(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(guò)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(jiǎn)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(wú)法無(wú)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(guò)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(shuō)明的是,，CTLE電路并不是放大高頻信號(hào),，而是通過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(zhǎng)長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(lái)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。

| 結(jié)語(yǔ)

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,。