信號完整性兩大法寶--加重與均衡

　　參考文章：時鍾展頻技術能有效降低EMI，深入講解展頻發生器

  預加重 

　　　　　　　  預加重、去加重和均衡

　　　　　　　  什么是預加重與去加重技術

　　　隨着信號速率的提高，信號質量會朝兩個方面惡化。一方面由於時鍾周期變短，固有抖動所帶來的影響變得嚴重，舉例來說，對於1Gbps的信號，1個時鍾周期為1ns，峰值為50ps的隨機抖動不會給系統帶來太大的影響；但是對於10Gbps的信號，1個時鍾周期為100ps，50ps的隨機抖動對系統的影響是致命的。另一方面，速率提升使得通道的損耗變大，碼間干擾會變得更加嚴重。這篇文章主要針對碼間干擾的產生以及如何消除碼間干擾進行分析。碼間干擾，又稱ISI(Inter symbolinterference)，顧名思義是不同信號(碼元)之間的干擾。

均衡可以分為發送端均衡和接收端均衡，發送端均衡稱為加重或者FFE，接收端的均衡有CTLE和DFE兩種。

FFE：FFE是Feed forward equalizers的縮寫，它可以分為預加重(Pre-Emphasis)和去加重(De-Emphasis)的方法類似，都是通過在TX改變高、低頻成分，區別是預加重是增加高頻成分，去加重是減少低頻成分，經過TX端的均衡后能夠改善信號質量。

 

CTLE：CTLE是Continuous-time linearequalizer的縮寫，它是有如圖12頻響曲線的放大電路，它們會對高頻信號進行放大，對低頻信號進行衰減，以補償通道的插損。

DFE：DFE是Decisionfeedback equalizer的縮寫，電路中DFE一般在CTLE之后。DFE的實現方式和FFE類似。DFE可以輔助CTLE改善信號質量，另外DFE可以實時地根據眼圖的情況進行自適應調節，它可以用來補償由於溫度或者其他條件變化帶來的鏈路和芯片(如CTLE)的變化，增加系統的穩定性。圖15經過CTLE和DFE均衡后的眼圖在實際的使用過程中，需要FFE、CTLE和DFE三者相互配合使用，尤其是在鏈路條件相對復雜的情況下。下面是一個比較惡劣的線路，在5GHz處，鏈路的插損達到了約33dB(相當於40inch FR4背板的損耗)。這個時候單純靠FFE或者CTLE、DFE已經無法實現將眼圖張開，這時候需要使用FFE+CTLE+DFE相互配合，使得在接收端的采樣點處眼圖能夠完全張開，確保達到目標誤碼率。

 

 

一、針對時鍾的措施——展頻

　　展頻對象：EMMC、DDR、VB1、屏、

SSC：Spread Spectrum Clocking，展頻時鍾

 　　SSCG：Spread Spectrum Clock Generator，展頻時鍾發生器　　

 　　時鍾展頻通過頻率調制的手段將集中在窄頻帶范圍內的能量分散到設定的寬頻帶范圍，通過降低時鍾在基頻和奇次諧波頻率的幅度（能量），達到降低系統電磁輻射峰值的目的。

　　SSCG由於使用到展頻等集成電路功能，會消耗能量。　　

　　時鍾展頻有三個主要的控制參數：調制速度（Modulation Rate）、調制深度（Modulation Depth）和調制方式（Modulation Profile）

二、針對信號的措施——預加重、去加重與均衡器

　　為什么要給高頻信號整信號補償技術：介質損耗、趨膚效應

　　均衡的作用就是在接收端口對信號處理，根據信號經過的基板的衰減特性，將信號的高頻成分適當增強，這樣就可以得到低頻成分與高頻成分被"均衡"到一個水平的信號，增強了發送到接收端口信號的傳輸速度與傳輸距離。相對於均衡，預加重作用在信號的發送端，其根據信號即將經過的衰減通道，提前增強信號的高頻分量（這樣RE就可能變差），經過這樣的處理，信號經過信號通道之后，經過一個高頻成分的衰減，最后接收端口接受到完整的信號。在信號發送端口，還可以通過―去加重的方法，將信號的低頻成分衰減，由此應對信號通路中高頻成分的衰減。相對於預加重的方法，去加重將信號的能量衰減，使信號的幅度降低，造成后級電路模塊識別信號的困難。因此，在現實應用中，會更多的選擇預加重的方法。

隨着信號速率的增加，高速信號的趨膚效應和傳輸線的介質損耗，使信號在傳輸過程中受損很大，為了在接收終端能得到比較好的波形，就需要對受損的信號進行補償，常用的補償技術有：預加重、去加重和均衡。

在介紹這三種信號補償技術之前，先來介紹下趨膚效應和介質損耗。
　　趨膚效應：交變電流(alternating electric current, AC)通過導體時，由於感應作用引起導體截面上電流分布不均勻，愈近導體表面電流密度越大。這種現象稱“趨膚效應”。趨膚效應使導體的有效電阻增加。頻率 越高，趨膚效應越顯著。當頻率很高的電流通過導線時，可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過，這等效於導線的截面減小，電阻增大。
　　介質損耗：絕緣材料在電場作用下，由於介質電導和介質極化的滯后效應，在其內部引起的能量損耗叫介質損耗。在交變電場作用下，電介質內流過的電流相量和電壓相量之間的夾角叫做介質損耗角，該角的正切值稱為介質損耗因素。

在高速信號傳輸中，信號的高頻分量衰減要比低頻分量的衰減大很多，傳輸線路表現出來的特性像一個低通濾波器。如下圖所示。

 

 　　預加重 (Pre-emphasis)：

　　信號傳輸線表現出來的是低通濾波特性，傳輸過程中信號的高頻成分衰減大，低頻成分衰減少。預加重技術的思想就是在傳輸線的始端增強信號的高頻成分，以補償高頻分量在傳輸過程中的過大衰減。我們知道，信號頻率的高低主要是由信號電平變化的速度決定的，所以信號的高頻分量主要出現在信號的上升沿和下降沿處，預加重技術就是增強信號上升沿和下降沿處的幅度。

　　去加重(De-emphasis)：

去加重技術的思想跟預加重技術有點類似，只是實現方法有點不同，預加重是增加信號上升沿和下降沿處的幅度，其它地方幅度不變；而去加重是保持信號上升沿和下降沿處的幅度不變，其他地方信號減弱。如下圖所示。

 

 

 去加重補償后的信號擺幅比預加重補償后的信號擺幅小，眼圖高度低，功耗小，EMC 輻射小。

　　均衡器：
　　 均衡器實際上是一個高通濾波器。

　　前面介紹的預加重和去加重能很好的補償信號在傳輸過程中的損耗，改善信號質量，但是預加重和去加重技術也存在一些缺陷，比如當線路上存在串擾時，預加重和去加重會將高頻串擾分量放大，增大串擾的危害。為了彌補預加重和去加重技術的缺陷，后來就出現了均衡技術。
跟預加重和去加重不同，均衡技術在信號的接收端使用，它的特性相當於一個高通濾波器，高頻分量會損耗很大，正好可以濾除高頻串擾。其原理如下：

  TV： 

    　　DDR/屏/LVDS/EMMC/VBO 展頻開關

    　　DDR/屏/LVDS/EMMC/VBO 展頻調制(0.1K?)，對應的是調制速度

   　　 DDR/屏/LVDS/EMMC/VBO 百分比(%)，對應的是調制深度

    　　VBO 眼圖調節幅度

    　　VBO 信號預加重

 

什么是預加重與去加重技術