目前的高速串行总线速率在不断提升,并且互联通道的低通特性使得信号在高频时有比较大的损耗, 这可能会导致接收端的信号恶化至无法正确还原和解码信号,从而信号出现失真，信号失真越严重，误码率 BER 越高，从而影响通信性能。高速串行信号经信道从发送端传输到接收端后，其高频分量比低频分量衰减要大，而高频分量主要集中在信号的上升沿及下降沿。如下图所示，由于有损通道对高频分量的衰减大于对低频分量的衰减，因此单脉冲上升沿和下降沿的开口会展开，并且幅值也减小。

在设计中有两种选择改善上述情况，一是使用损耗更低的PCB板材，不过损耗更低意味着板材价格也更加昂贵；二是使用现有材料，但采用特定技术来补偿信道的高频损耗。那本篇文章将会对高速串行电路中常用的信号均衡技术进行介绍。

预加重（Pre-emphasis）

预加重（Pre-emphasis）是一种在发送端事先对发送信号的高频分量进行补偿的方法，这种方法的实现是通过增大信号跳变边沿后的第一个bit（跳变bit）的幅度（预加重）来完成的。预加重技术对信号改善的效果取决于其预加重的幅度的大小，预加重的幅度指的是经过预加重后跳变比特相对于非跳变比特幅度的变化。数字总线中经常使用的预加重有3.5dB、6dB、9.5dB等。对于6dB的预加重来说，相当于在发送端看，跳变bit的电压幅度是非跳变bit电压幅度的2倍。简单的预加重对信号的频谱改善并不完美，例如其频率响应曲线并不一定和实际传输通道的损耗曲线相匹配，所以高速率总线会采用阶数更高、更复杂的预加重技术。

预加重幅度的定义

三阶预加重对信号波形的改变

去加重（De-emphasis）

去加重是通过减弱发送信号的低频分量，使得改变后的信号在经过具有低通特性的传输线之后，低频分量和高频分量能够平衡，去加重技术衰减了信号的能量，使得发送到传输线上的信号幅度减小。

对于信号中连续重复的比特流，从第 2 比特开始，降低发送信号的幅值及功率，可以提升信号质量。去加重可以看作是二抽头的发送端均衡器，其规则如下：

1. 信号发生跳变后，第一个bit不做去加重。

2. 若当前bit与前一bit相同，进行去加重。

去加重规则示意图

去加重前后对比

前面介绍的预加重和去加重技木对于克服传输通道损耗､改善高速数字信号接收端信号质量有一定效果,但是当信号速率进一歩提高或者传输距离更长时,仅发送端简单的补偿已不能充分补偿传输通道带来的损耗,这时就需要在接收端同时使用均衡技木来进一步改善信号质量。下面对FFE(feed forwardequalization)、CTLE(continuous time linear equalization)和 DFE(decision feedbackequalization)进行介绍。

FFE属于线性均衡技术，其作用类似FIR（有限脉冲响应）滤波器，通过放大或衰减信号的特定频率分量来补偿信号衰减。FFE 电路使用均衡器抽头来调整滤波器系数，可增强或减弱信号的高频分量。抽头的数量决定了滤波器的复杂性及其补偿信道损伤的能力。FFE 可以补偿衰减、色散和串扰等通道损耗。然而，其在改善码间干扰 (ISI) 方面并没有特别明显的效果。理论上FFE可以在发送端/接收端或者两者配合实现。但是在实际设计中，由于延迟元件都是模拟器件，并且整个运算都是在模拟域中进行的，会存在较大的误差（如果在数字域中实现，A/D转换成本更高）。如果放在输出端，则功耗较大，另外存在抖动放大问题（特别是损耗衰减严重的信道）。权衡的结果是，一般在发送端设计FFE，但是抽头数不多（≤4）。

CTLE属于线性均衡技术，是在接收端提供一个高通滤波器，这个高通滤波器可以对信号中的主要高频分量进行放大，这点和发送端的预加重技术带来的效果是类似的。CTLE仅限于一阶补偿，并且对PVT比较敏感，它没有pre-cursor消除ISI，还会放大噪声以及串扰。如下图所示，定义了CTLE的传递函数以及在与通道组合场景下的响应：

DFE属于非线性均衡技术，它是通过相邻bit的判决电平对当前bit的判决阈值进行修正，一个合理的DFE可以有效补偿ISI对信号造成的影响。ISI 是一种现象，即先前符号的信号能量干扰当前符号，从而导致失真。DFE 的工作原理是从接收信号中减去估计信号以抵消 ISI。DFE 电路使用前馈和反馈抽头来估计和消除 ISI。如下图前馈滤波器是在DFE的前端，以帮助符号检测器可以做出一个正确的决定。然后，每个决策都经过反馈滤波器，与之前的符号组合。反馈抽头补偿由前一个符号引起的失真，前馈抽头补偿由当前符号引起的失真。尽管DFE可有效减轻ISI，但它需要比FFE更复杂的电路

CTLE和FFE的均衡算法不像DFE算法复杂，并且相比DFE用到更少的门电路，因此在大多数情况下，会优先选择发送端使用FFE,然后在接收端使用CTLE的均衡方法，在比较高速的情况下会先用FFE、CTLE把信号眼图打开，再使用DFE进一步优化。在更高速、传输距离更长的信号传输中，会把预加重和均衡技术结合使用。在发送端增加高频分量，经过通道损耗到达接收端后，再通过均衡技术改善信号，从而实现较好的传输。

高速I/O口FFE+CTLE+DFE架构

均衡技术的总结

仿真篇——以16Gbps信号为例

仿真链路

无任何均衡下的接收端眼图

TX端3-tap FFE下的接收端眼图

TX端3-tap FFE+RX端CTLE下的眼图

TX端3-tap FFE+RX端CTLE，2tap-DFE下的眼图

TX端3-tap FFE+RX端CTLE，3tap-DFE下的眼图

TX端3-tap FFE+RX端CTLE，5tap-DFE下的眼图

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