示波器中的均衡丈量剖析技能

1 均衡需求布景

由于电路板资料在高频时呈现高损耗，现在的高速串行总线速度不断演进，使得盛行的电路板资料抵达极限，信号速度高到必定程度后，信号抵达接纳机端之后，现已有较大的损耗，因而或许导致接纳端无法正确复原和解码信号，然后呈现误码；假如你直接调查这个时分接纳端的眼图，它或许是闭合的。因而工程师可以有两种挑选，一是在规划中运用较为贵重的电路板资料，别的是依然沿袭现有资料，但选用某种技能补偿其损耗差错。考虑到低损耗电路板资料和线路的本钱太高，咱们一般都会优先挑选补偿技能的做法。均衡便是这样一种技能，有了这一技能，FR4等传统电路板资料不至于很快被筛选。运用均衡技能意味着在接纳机上要运用均衡芯片或均衡算法。现在选用均衡技能的实例包含 SATA 6G、SAS 6G、光纤通道、PCI Express第二代、USB3.0等。当然，任何额定的规划作业（包含规划均衡算法）都会影响新芯片的上市时刻。工程师遇到的应战是在最短的时刻内准确规划均衡器芯片或算法。安捷伦科技公司在其Infiniium系列示波器上，供给均衡软件，一方面可以协助工程师验证其均衡规划算法，另一方面，可以供给优化的抽头系数(tap values)供工程师参阅，示波器依据收集到内存中的波形数据，作为原始数据，进行均衡处理，假如您现已知道抽头系数(tap values), 直接输入示波器即可，假如您不知道，Infiniium示波器可协助您计算出优化的抽头系数(tap values)。均衡技能不只用在示波器中，在高速协议分析仪，如PCI-E 3.0中也得到了运用，由于假如不必均衡技能，协议分析仪实践看到的信号质量很差，因而和示波器相同，协议分析仪也要具有和被测目标接纳端相似的均衡处理功用，才干准确得判别信号的逻辑1和逻辑0状况。

2 均衡简介
串行信号由发射端通过传输介质或通道（如：背板、电缆、电路板）向接纳端发送。当信号速率添加时，信号所通过的通道或传输介质发生衰减，使信号在接纳端呈现失真，然后导致眼图部分或彻底闭合，使接纳端无法正确提取或康复时钟/数据。为了使眼图从头打开，有必要正确提取或康复时钟和数据，均衡技能便是为处理这一问题而存在的。
在图1中您可以看到，一个打开、明晰的眼图由发射端动身，通过通道进行传送时，通道带来的随机噪声、串扰和符码间搅扰（ISI）使信号发生失真，导致眼图闭合。随后，运用均衡技能校对补偿ISI带来的差错，使眼图得以部分打开。

图1 高速互连不同点的波形眼图
ISI 是由于通道的频率响应不平坦（高频比低频呈现更多的损耗）而发生的，它会导致信号的脉冲波形呈现失真。运用均衡可以消除 ISI，由于 ISI 是由电路（线路规划）的几许形状以及组成电路的前言（导体或介质）导致的――一切这些要素都可以在信号传输前确认。
正如您在图2中所看到的那样，均衡的首要意图是要纠正传输通道所导致的问题。当信号在接纳机端呈现失真时，均衡技能依然可以分辨出本来的信号来。换句话说，均衡可以校对高频重量的电压电平，然后校对这些重量在对应眼图中的眼角轨道（打开眼图）。

图2 均衡处理前后的眼图比照
本文将评论两种均衡办法：前馈均衡（FFE）和判定反应均衡（DFE）。

3 前馈均衡（FFE）

前馈均衡（FFE）是指运用波形本身来校对接纳到的信号，而不是用波形的阈值(判定逻辑1或0 )进行校对。FFE 的效果基本上相似于 FIR（有限脉冲响应）滤波器，它在校对当时比特电压时，运用的是前一个比特和当时比特的电压电平，加上校对因子(抽头系数)，来校对当时比特的电压电 平。有必要要记住的一点是，当运用FFE时，是对实践收集到的波形履行均衡算法。FFE 算法绝不是逻辑判定（判定这个比特是逻辑 1 仍是逻辑 0），FFE 只涉及到校对波形中每一个比特的电压电平。
为了便于评论，咱们假定您正在运用的 FFE 算法有三个抽头系数。抽头是用于校对电压电平的校对系数。咱们可从这样一个视点来看待这些校对系数――把它们看成是接纳端应该看到的电压与接纳端实践看到的电压之比。
下面是三抽头 FFE 的数学描绘：
e(t) = c0r(t – (0TD)) + c1r(t – (1TD)) + c2r(t – (2TD))
其间：
–e(t) 是时刻 t 时的电压波形,是经校对(或均衡)后的电压波形。
–TD 是时刻推迟(抽头的时刻推迟)。
–r(t-nTD) 是间隔当时时刻 n 个抽头推迟之前波形，是未经校对(或均衡)的波形。
–cn 是校对系数（抽头系数），用于间隔当时时刻 n 个抽头推迟之前波形，二者相乘，然后累加，最终得到校对(或均衡)后的电压波形
在上面的三抽头FFE比方中，FFE 对当时比特方位和其前面两个抽头推迟方位的电压进行加权校对，然后累加，取得了波形中当时比特方位（时刻 t）处的校对（或均衡）电压电平。一旦当时比特方位处的电压电平通过校对，算法会进入下一个感兴趣的比特方位并重复上述进程。这种状况将一向继续到整个波形都通过校对。

4 判定反应均衡（DFE）

完成 DFE 的算法有许多，本部分将评论在 Agilent Infiniium 90000 和9000 系列示波器中运用的算法。
为了便于评论，咱们假定您正在运用的 DFE 算法运用两个抽头系数。在检查 DFE 的数学模型之前，咱们有必要先了解该算法的意图。一般，DFE计算出一个校对值，然后将其添加到逻辑判定阈值中（超越该阈值的电压被视为逻辑高或逻辑1， 低于该阈值的电压被视为逻辑低或逻辑0）。因而，DFE 会使改动阈值（增大或下降） ，然后可以依据这个新的均衡阈值电平对波形从头履行逻辑判别。
下面是两抽头 DFE 算法的数学模型：
V(k) = c1s(k – 1) + c2(k – 2)
其间：
–V(k) 是校对后的电压阈值，用于判定比特方位K的逻辑状况是1仍是0。
–s(k-n) 是坐落比特方位 k 之前 n 个比特处的逻辑值（逻辑状况）。
–cn 是坐落感兴趣比特方位之前 n 个比特处的校对系数（抽头系数）。
因而，为了使DFE 取得当时比特方位处的阈值电平的校对电压误差，首要需求取得前几个比特的校对值才干进行。假定前几个比特的逻辑判定(阈值)是正确的，那么算法可以依据它 们演算确认当时比特的逻辑状况值。关于两抽头 DFE 来说，需求先确认当时比特方位之前的两个比特的逻辑状况值。随后，算法将用比特逻辑值乘以相应的抽头系数，最终累加起来，即得出应有的判定阈值偏移量，许多 DFE 算法将该偏移量直接运用到与之电压上，可是 Infiniium 90000、9000系列示波器正好相反，它不是改动阈值电压，而是坚持阈值电压不变，将对应的电压电平向相反方向偏移相同数量。
随后，该算法将会向前偏移一个指针（index），抵达下一个感兴趣的比特方位。这个进程会重复履行，直到整个信号通过校对。

5 FFE 与 DFE 的比较

FFE是现在串行总线中最常用的均衡算法。如上所述，FFE 通过移除ISI的影响来校对电压电平，所以均衡器芯片(或算法)不像运用DFE的芯片(或算法)那样杂乱，比DFE芯片需求的门电路更少。在大多数状况 下，规划人员都会挑选FFE,由于它更廉价、更简单施行，并且一般也是有用的。
现在考虑这样一种规划，其通道 ISI 超越 FFE 可以处理的程度，这时分，一般需运用 DFE 来打开信号中的眼图。由于 DFE 运用当时比特作为其抽头系数界说的一部分，所以它可以极大地打开闭合的眼图,并且DFE可以随不同的芯片或器材而改动，FFE则是同一套抽头系数用于一切 接纳端和一切比特方位。.
Infiniium 90000和9000系列示波器软件可以对DFE和FFE进行建模，以找出哪种算法更适合规划人员的需求。该均衡软件（N5461A）可以在一个屏幕上同 时对 DFE 和 FFE 进行建模，运用户可以挑选他们期望施行的均衡器。尽管 DFE 和 FFE 是不同的均衡技能，可是接纳机端常常会一起运用这两种技能。

6 接连时刻线性均衡（CTLE）

接连时刻线性均衡是别的一种均衡技能，用在USB3.0为代表的串行总线中，它的数学模型如下：
H(s) = [Adc ωp1 ωp2 / ωz] [(s+ωz)/(s+ωp1)/(s+ωp2)]
其间:
–Adc 是直流增益
– ωz是零频
– ωp1是极点1
– ωp2是极点2

7 总结

跟着规划人员不断推进资料应战极限，以习惯不断添加的数据速率，均衡关于当时的高速数字规划正变得越来越重要，因而使得丈量仪器包含示波器和协议分析仪等也要有相似的功用才干准确评价被测目标的行为特征。
Infiniium 90000和9000示波器供给了可以对 DFE ,FFE和CTLE 技能进行全面建模的均衡软件。具有一台可以快速地对均衡技能进行建模的示波器，可以缩短规划周期和芯片的上市时刻，然后添加规划厂商的收入。运用示波器进行均衡建模的最大优势或许就在于示波器是运用实践信号来进行均衡建模。除了根据实践信号进行建模之外，Infiniium 90000和9000系列示波器运用硬件加速对均衡变量的实时运算和更新。运用Infiniium 90000和9000示波器软件，您可以快速改动抽头系数（校对系数），以检查可变抽头系数怎么影响眼图。有必要留意，均衡可以消除通道中的码间搅扰(ISI)，但不能消除体系中的任何噪声，包含示波器本身的噪声。因而，规划人员运用的示波器除了要可以进行均衡建模之外，还有必要具有极低的本底噪声，以防止示波器噪声通过扩大后对均衡信号发生不必要的影响，现在Infiniium 90000系列示波器在本底噪声方面是最优异的产品，因而合作均衡软件运用能得到更准确的成果。
协议分析仪，比方PCI-E 3.0 协议分析仪的探头也选用了均衡技能，以U4301A为比方，它内部运用了专用芯片(AS%&&&&&%)完成均衡处理，答应用户调整设置均衡参数，用可编程器材(FPGA)盯梢每个方向的传输，康复时钟也是每个方向独立的。