均衡器的资料

高速串行设计－均衡器

——高速串行

处

串行数字电路可以分为发送端（TX）、信道（CHANNEL）、接收端（RX）三部分，如下图一所示。眼图医生可以对串行数字链路中三个部分进行分析：1.

发送端的预加重/去加重分析：针对某一信道计算出最佳的预加重/去加重参数。2.

信道仿真：直接测试TX输出的波形，输入信道的S参数模型后，准确计算出RX端的波形。3.

接收端的均衡器设计：对于高于5Gbps的信号，通常在RX端测试时，眼图已闭合，眼图医生可以仿真均衡器，计算出均衡后的信号波形与眼图。图一：高速串行链路示意图什么是信道？

在通信理论中通常用“信道”来描述连接TX与RX的物理媒质，在某些SI（信号完整性）文献中，又称为互连。信道包括了我们常见的：印刷电路板（PCB）上的微带线、带状线、过孔、连接器、集成电路的封装、光纤、电缆等等。如下图二所示为背板的示意图。通常，信道有一个共同的特点：随着频率的升高，损耗越来越大；信道的物理传输距离越长，损耗越大。

图二：背板的互连示意图接下来为某背板的测试案例。其TX为某2.5Gbps的高速芯片，信道由两块线卡与背板组成，其PCB上传输线的有10英寸长、20英寸长、30英寸长、40英寸长四组，在接收端测量眼图（如图三所示），使用游标测量眼高（眼图的张开程度），分别为592mV、457mV、295mV、164mV。可见，随着PCB上传输线的长度的增加，信道的损耗越来越大，RX端测量到的眼图的眼高越来越小。

图三：不同背板走线长度的接收端眼图测试结果对比

什么是信道仿真？

信道仿真是用力科示波器测量TX发送的波形，然后在眼图医生中导入信道的S参数模型文件，计算出通过信道后RX端的信号波形、眼图与抖动。力科信道仿真的处理速度非常快、精度足够高。下图中TX为某3.125Gbps信号，通过同轴电缆连接到示波器的两个通道，即示波器直接在TX端测量，然后使用某20GHz带宽的矢量网络分析仪（VectorNetworkAnalyzer，简称VNA）测量两块走线长度不一样的DEMO板的S参数，在力科的眼图医生中调用S参数来仿真该信道。计算出RX端的波形与眼图，眼图如下图四所示，左边是某厂商的20英寸长DEMO板接收端的眼图，右边为另一厂商的24英寸线长DEMO板计算出的RX的眼图。两者的眼高分别为168mV与108mV。使用信道仿真，无须连接TX、信道、RX后在RX端实测，只要拥有信道的S参数模型，示波器直接在TX端测量，就可以仿真出通过不同信道后RX端的波

如果在TX端测量经过预加重/去加重的信号的眼图，可以看到如下图八的上半部分所示的“双眼皮”的眼图，而下图八的下半部分是做3.5dB的去加重之前信号的眼图。还有，使用去加重后，TX端信号的抖动会大于未采用加重的信号，在下面的眼图中可以清楚的看到去加重后眼图

图八：去加重前后的眼图对比的交叉点比去加重之前的更宽，说明在去加重后测量TX的抖动会更大些。

在当前流行的很多串行数据，比如PCIe、FBDIMM都使用了去加重技术。

高速芯片通常提供了几种预加重/去加重程度和信号幅度可调节，以第二代的PCIExpress为例，其比特率为5Gbps，有3.5dB和6.5dB两者去加重模式。

在接下来的案例中，TX为某3.125Gbps信号源，信道为Lattice的带有24英寸传输线的演示板，RX为示波器的两个通道，即两个标准50欧的负载。图九中左边的眼图为TX端没有预加重时RX端测量到的眼图，右边的眼图为TX采用3.5dB预加重后RX端测量到的眼图，前者眼高为93mV，后者眼高为135mV。可见使用3.5dB预加重后，接收端的眼图得到提升。

图九：使用预加重后接收端眼图质量变好预加重/去加重是广泛应用于高速串行数据芯片的技术。在芯片设计中，芯片厂商通常提供了多种预加重/去加重的程度与信号幅度，在驱动不同信道时可以灵活选择。对于高速背板设计，我们可以测量不同传输线长度、不同背板连接器的等等情况的信道模型，用力科示波器直接在TX测量该芯片输出的信号，使用信道仿真功能，计算出RX端的信号、眼图与抖动。然后不断调节芯片的预加重/去加重程度，直到获得最佳的RX端的信号质量。

什么是预加重/去加重仿真？

力科的预加重/去加重仿真可以在把未加重信号进行预加重/去加重处理，仿真不同程度的预加重/去加重后的信号。与信道仿真配合，可以实现两个功能：一，对于IC设计工程师或高速系统设计工程师，可以预先估算芯片的TX端所需的均衡程度二，对于背板设计工程师，无须修改待测试信号源的预加重或去加重程度，直接测量未作均衡的信号，结合信道仿真功能，计算出多少dB的预加重足以满足该背板设计？或者多少dB的预加重对于某信道可实现最佳的接收端测量结果。

什么是删除“加重”？力科示波器可以把测量到的带有预加重/去加重的信号消除“加重”，得到没有采用“加重”技术的信号。由于采用去加重后的信号的数据相关性抖动DDj会更大些，所以对删除“加重”后的信号来分析其总体抖动、固有抖动更准确。

图十：力科预加重/去加重仿真的用户界面

什么是均衡器仿真？

力科眼图医生支持目前最流行的CTLE、FFE、DFE三种均衡器。关于这几种均衡器的理论介绍，可参考一些通信理论书籍，在这里仅作简要介绍。

CTLE均衡器

ContinuousTimeLinearEqualization均衡器（简称CTLE）即连续时间线性均衡器，是一种常见的线性均衡器。在最新的USB3.0中使用了CTLE均衡器。USB3.0的速度高达5Gbps，在不久的将来会在计算机、消费电子类产品上广泛应用。由于USB3.0的速度很高，当USB电缆较长时，RX端眼图很可能已闭合，这时分析眼图与抖动是没有意义的。使用力科眼图医生的CTLE均衡仿真后，对均衡后信号测量眼图与抖动指标，可以精确的验证其性能。结合力科的信道仿真功能，直接测量USB3.0的TX，可以迅速评估不同的信道是否需要均衡？或者均衡后的性能指标。USB的官方组织规定了USB3.0使用的CTLE均衡器的参数，如下图11左上部分为均衡器的频响，右上方的表格是均衡器的参数，下方是力科示波器中集成了USB3.0的均衡器参数，可方便调用。CTLE均衡器的优点是功耗低、实现起来很简单、不会增大抖动。

图11：USB3.0的CTLE均衡器参数设置

FFE均衡器FeedForwardEqualization均衡器（简称FFE）是一种常见的模拟均衡器，如下图12所示，由延迟电路（Delay）、乘法器、加法器组成，延迟电路的时间延迟正好是1个比特，Tap系数（taplevel）是每一级乘法器（放大器）的增益，输入信号通过每一级处理后相加得到输出波形，即FFE均衡后的波形。

图12：FFE均衡器示意图

如下图13所示为某3阶FFE均衡器（3个tap）的系统简化示意图，输入信号为左上角的红色信号，淡紫色虚线标识的波形是理想的信号波形，由于信道使到达RX的信号恶化，均衡器的输入信号相比理想波形，其幅度较低、上升时间与下降时间较慢。第一、二、三级乘法器的系数分别为C1=-0.3、C2=1.4、C3=-0.5。第二级乘法器的增益为1.4，可以大大提升信号的幅度，其输出波形如下图13粉红色波形；第一级乘法器的系数C1=-0.3，产生一个负向的脉冲信号，用于补偿信号的上升沿；第三级乘法器的系数C3=-0.5，用于补偿信号的下降沿。三级乘法器的输出相加后的信号为图中的黑色波形，其幅度接近理想信号，上升、下降沿都比均衡器的输入信号更快。FFE的均衡器的响应很像一个高通滤波器。在这个3-tap的FFE均衡器中，第二个乘法器是用于补偿幅度的，由于前面还有一级乘法器，所以称为pre-cursortap＝1的FFE均衡器。在使用力科FFE均衡器参数优化仿真时，需要输入tap的数量和pre-cursortap的数值，分析软件会自动计算出每个tap的系数。

图13：某3-tap的FFE均衡器的简化示意图

DFE均衡器

DecisionFeedbackEqualization均衡器（简称DFE）即判决反馈均衡器，是一种广泛使用的非线性均衡器。在眼图医生的高级模式下可以设置DFE均衡器的参数，也可以自动优化出DFE均衡器的参数。如下图14所示为某3-tap的DFE均衡器的示意图。DFE均衡器中包括了延时电路、乘法器和加法器，和FFE均衡器有些相似。不过DFE的反馈回的信号是二进制信号，而FFE反馈的是模拟信号。在DFE均衡器仿真时，只需在眼图医生中输入tap的数值，分析软件会自动计算出每个tap的系数。

图14：某3-tap的DFE均衡器的简化示意图

DFE不会放大噪声与串扰，易于实现，在高速收发器芯片中非常流行。比如Altera和Xilinx的某些FPGA的收发器就集成了DFE和CTLE。

均衡器仿真的作用

对于5Gbps以上的串行链路，RX端通常使用了均衡器，如果用示波器在RX端测量，只能得到未均衡的信号，可能其眼图已闭合，无法从物理层的测试手段验证接收端的性能。使用均衡器仿真后，可以计算出均衡后的波形、眼图和抖动，能进一步验证真正的接收端的电气特性。另外，对于高速收发器芯片厂商，使用力科的均衡器仿真，可以预估某信道最适合的均衡器以及相关参数。大大加快了芯片的设计与验证速度。

图15：某8.5Gbps驱动24英寸传输线的均衡器优化在图15中，最上面的眼图是直接测量某8.5Gbps信号的眼图；中间的眼图是TX端做了6.5dB预加重后，通过24英寸微带线的PCB后在