三种高速信号补偿技术详解.doc
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1、三种高速信号补偿技术详解高速信号调整技术随着信号速率的增加,高速信号的趋肤效应和传输线的介质损耗,使信号在传输过程中受损很大,为了在接收终端能得到比较好的波形,就需要对受损的信号进行补偿,常用的补偿技术有:预加重、去加重和均衡在介绍这三种信号补偿技术之前,先来介绍下趋肤效应和介质损耗。高速串行链路系统对信号的影响当信号经过无源链路时,由于信道损耗(插损)、阻抗不连续(反射、回损)、其它信道的干扰(串扰)等,信号完整性受到破坏、信噪比(SNR)降低,以至于信号传递可能出现误码(BER)。影响SNR的还有振铃,EMI, 地弹, 开关电源噪声, 热噪声, 白噪声/闪烁噪声/随机噪声, 环境变化(温度
2、、湿度,等)。趋肤效应:交变电流(alternating electric current, AC)通过导体时,由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀,愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高,趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时,可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过,这等效于导线的截面减小,电阻增大。介质损耗:绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗叫介质损耗。在交变电场作用下,电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角叫做介质损耗角,该角的正切值称为介质损耗因素。在高速信号传输中,信号的高频
3、分量衰减要比低频分量的衰减大很多,传输线路表现出来的特性像一个低通滤波器。如下图所示。发送端:预加重或去加重接收端:有源连续时间线性均衡器(CTLE, Continuous Time Linear Equalizer),前馈均衡器(FFE, Feed-Forward Equalizer) ,判决反馈均衡器(DFE, Decision Feedback Equalizer)预加重 (Pre-emphasis):前面已经介绍过了,信号传输线表现出来的是低通滤波特性,传输过程中信号的高频成分衰减大,低频成分衰减少。预加重技术的思想就是在传输线的始端增强信号的高频成分,以补偿高频分量在传输过程中的过大
4、衰减。我们知道,信号频率的高低主要是由信号电平变化的速度决定的,所以信号的高频分量主要出现在信号的上升沿和下降沿处,预加重技术就是增强信号上升沿和下降沿处的幅度。如下图所示。去加重(De-emphasis):去加重技术的思想跟预加重技术有点类似,只是实现方法有点不同,预加重是增加信号上升沿和下降沿处的幅度,其它地方幅度不变;而去加重是保持信号上升沿和下降沿处的幅度不变,其他地方信号减弱。如下图所示。去加重补偿后的信号摆渡比预加重补偿后的信号摆幅小,眼图高度低,功耗小,EMC辐射小。均衡器:前面介绍的预加重和去加重能很好的补偿信号在传输过程中的损耗,改善信号质量,但是预加重和去加重技术也存在一些
5、缺陷,比如当线路上存在串扰时,预加重和去加重会将高频串扰分量放大,增大串扰的危害。为了弥补预加重和去加重技术的缺陷,后来就出现了均衡技术。跟预加重和去加重不同,均衡技术在信号的接收端使用,它的特性相当于一个高通滤波器。其原理如下:均衡器实际上是一个高通滤波器,下图是一个简单的高通滤波器,即均衡器。均衡器通常是用滤波器来实现的,使用滤波器来补偿失真的脉冲,判决器得到的解调输出样本,是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益,因而能适应信道的随机变化,使均衡器总是保持最佳的状态,从而有更好的失真补偿性能。前馈均衡器数字 FIR
6、滤波器、模拟 FIR 滤波器、连续时间滤波器,几种滤波器均属于前馈均衡器(FFE)。采用连续时间滤波器的 前馈均衡器在减小了 ISI 的同时也放大了噪声,减小了噪声裕量。数字 FIR 滤波器 :接收端 FIR 滤波器也可以与发射端预加重 FIR 滤波器类似的方式实现。由于 发射端处理的是离散信号,其 FIR 滤波器可以实现为数字滤波器。然而,离散信 号经过有损信道之后会出现扭曲,到达接收端时候成了模拟信号,因此接收端滤 波器应该在模拟域(Analog Domain)中实现。如图为数字 FIR 滤波器的实 现框图。其中采样保持放大器(SHA)对信号进行采样,样本再由模数转换器(ADC) 转换成数
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