在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，無論是手機(jī)、AI系統(tǒng)、智能汽車還是通信基站，高速數(shù)字信號(hào)的傳輸都扮演著核心角色。然而，隨著信號(hào)的傳輸速率不斷提升，工程師們面臨著一個(gè)共同的難題：即信號(hào)在傳輸過程中會(huì)因線路損耗、噪聲干擾等因素發(fā)生嚴(yán)重失真，導(dǎo)致信號(hào)完整性（Signal Integrity，簡(jiǎn)稱SI）問題日益突出。因此，電子系統(tǒng)需要相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)解決SI問題。

而作為電子工程師“眼睛”的示波器，不僅需要準(zhǔn)確地捕捉到電路中高速信號(hào)的真實(shí)面貌，還要能夠模擬電路系統(tǒng)中所應(yīng)用的信號(hào)處理技術(shù)，“還原”出最終的信號(hào)，進(jìn)而幫助工程師評(píng)估電路系統(tǒng)的信號(hào)完整性。

PART 1為什么需要均衡技術(shù)？

01 高速信號(hào)的“失真困境”

當(dāng)數(shù)字信號(hào)速率達(dá)到數(shù)Gbps甚至更高時(shí)，由于趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗的影響，整個(gè)傳輸信道（如PCB走線、過孔、連接器以及芯片封裝）呈現(xiàn)低通效應(yīng)，即在高頻時(shí)呈現(xiàn)出比低頻更大的損耗（圖1所示）。需要注意的是，傳輸信道里影響信號(hào)傳輸?shù)牟皇撬p本身，而是信道的衰減隨頻率變化，這也就是大家常說的“衰減差”。

因此隨著信號(hào)的傳輸速率的提高和傳輸通道長(zhǎng)度的增加，電路的發(fā)送端（Tx）發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸信道后衰減，以及碼間干擾（ISI）的存在，使得接收端（Rx）沒有能力采集到正確的信號(hào)。如果我們觀察高速信號(hào)經(jīng)過傳輸信道后到達(dá)接收端的眼圖，發(fā)現(xiàn)眼圖會(huì)非常模糊甚至閉合。這種對(duì)不同頻率信號(hào)的衰減差會(huì)導(dǎo)致信道接收端接收到的信號(hào)嚴(yán)重失真以至于無法正確還原和解碼信號(hào)，從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)性能下降甚至無法正常工作。

圖1 傳輸信道的低通效應(yīng)導(dǎo)致接收端的眼圖閉合

02 均衡技術(shù)---平衡“衰減差”的“魔術(shù)”

為了解決傳輸信道的低通效應(yīng)，避免由于衰減差導(dǎo)致接收端產(chǎn)生誤碼。可以直接選用性能更好但是價(jià)格也更為昂貴的PCB板材和傳輸線纜，但這會(huì)毫無疑問地增加不菲的成本。

“又想馬兒跑，又想馬兒不吃草”。怎么辦？既然問題的原因是在傳輸過程中高頻分量相對(duì)低頻分量受到更大的衰減，那就可以在沿用現(xiàn)有的PCB板材的情況下，采用某種信號(hào)處理技術(shù)來補(bǔ)償信號(hào)的高頻分量或衰減低頻分量，如此就起到平衡經(jīng)過傳輸信道的信號(hào)的高頻和低頻分量的目的。這就是均衡技術(shù)。

03 示波器的“還原使命”

隨著高速數(shù)字信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，作為數(shù)字電路最常用測(cè)試儀器的示波器不能只是簡(jiǎn)單地測(cè)試波形，還需要模擬被測(cè)電路所采用的均衡技術(shù)，告訴工程師當(dāng)前電路所采用的均衡技術(shù)對(duì)高速信號(hào)失真的改善效果，“還原”最終的信號(hào)，進(jìn)而判斷電路的信號(hào)完整性是否滿足電路系統(tǒng)的要求。

PART 2均衡技術(shù)的分類和特點(diǎn)

目前的高速數(shù)字電路采用的均衡技術(shù)，通常在電路系統(tǒng)的發(fā)送端（Tx）采用前饋均衡（Feed Forward Equalizer，簡(jiǎn)稱FFE），而在接收端(Rx)采用連續(xù)時(shí)間線性均衡（Continuous Time Linear Equalizer，簡(jiǎn)稱CTLE）和判決反饋均衡（Decision Feedback Equalizer，簡(jiǎn)稱DFE）。

例如USB3.2 Gen1標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)送端采用了FFE，在接收端采用了CTLE；而USB3.2 Gen2在發(fā)送端采用了FFE，并且在接收端采用了CTLE和DFE。

圖2 均衡技術(shù)在電路系統(tǒng)中的應(yīng)用：FFE，CTLE和DFE

01 前饋均衡（FFE）

我們已經(jīng)知道，傳輸信道對(duì)信號(hào)的高頻分量衰減更嚴(yán)重。因此，在系統(tǒng)的發(fā)送端或者接收端里有意地加強(qiáng)高頻分量的能量或者衰減低頻分量的，這樣可以抵消傳輸信道引起的衰減差。

FFE的核心思想是通過線性濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理或后處理，抵消信道對(duì)信號(hào)的頻率選擇性衰減。其數(shù)學(xué)模型通常基于有限沖擊濾波器（Finite Impulse Response, FIR），由多級(jí)延遲單元和可調(diào)權(quán)重系數(shù)構(gòu)成。在高速電路設(shè)計(jì)中，F(xiàn)FE常常用于發(fā)送端，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送端信號(hào)的預(yù)加重（pre-emphasis）或去加重（de-emphasis）。

預(yù)加重，是指提前補(bǔ)償信號(hào)將要損耗的高頻分量，即將信號(hào)的跳變沿的電平抬高。去加重，則將信號(hào)跳變沿后的電平降低，這種機(jī)制旨在削弱信號(hào)的低頻分量。下面即為去加重的效果圖，橙色為發(fā)送端的原始信號(hào)（幅度在-1和1之間切換），綠色為去加重后的信號(hào)（跳變沿后的幅度小于1或大于-1），跳變沿后的電平明顯變低。

圖3 原始信號(hào)和使用均衡技術(shù)后的去加重信號(hào)

以USB3.2 Gen2為例，規(guī)范要求在發(fā)送端采用三階FFE，輸入信號(hào)依次通過2個(gè)延遲單元，F(xiàn)FE的每個(gè)抽頭的輸出乘以不同的權(quán)重系數(shù)（，和），然后相加就得到均衡后的輸出。

圖4 USB3.2 Gen2的發(fā)送端FFE示意圖

左下圖為USB3.2 Gen2要求的權(quán)重系數(shù)，右下圖為均衡后的效果圖（跳變沿信號(hào)的電平幅度大于跳變沿后信號(hào)的）。

圖5 USB3.2 Gen2的發(fā)送端FFE的權(quán)重系數(shù)和均衡效果

對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)，僅在發(fā)送端增加FFE是不夠彌補(bǔ)傳輸信道的衰減差，因此通常還需要在接收端增加CTLE（有的還需要DFE）。

02 連續(xù)時(shí)間線性均衡（CTLE）

CTLE是傳輸信道的接收端經(jīng)常用到的一種均衡方式，用來衰減傳輸信號(hào)的低頻分量并放大高頻分量。如下圖，藍(lán)色虛線是傳輸線路原本的頻響曲線，隨著頻率的增大，對(duì)信號(hào)的衰減也隨之增大。綠色虛線是CTLE自身的頻響曲線，其會(huì)衰減低頻分量，并會(huì)放大傳輸信號(hào)的有用頻段內(nèi)的高頻分量。紅色線表征的是二者疊加后的頻響曲線，其低通特性獲得明顯改善。

圖6 傳輸信道低通效應(yīng)和CTLE改善效果示意圖

CTLE本質(zhì)是個(gè)濾波器，通過實(shí)現(xiàn)高通頻率特性的方式來均衡信道的損耗，其傳遞函數(shù)如下公式所示，其特性由直流增益ADC，零點(diǎn)fzero和極點(diǎn)fpole,n共同決定。

圖7 CTLE的傳遞函數(shù)

如下圖為USB3.2 Gen1規(guī)范定義的Long Channel的CTLE的頻響曲線。觀察到，從直流開始，其增益為0.667，即衰減信號(hào)的低頻分量；到了零點(diǎn)650MHz增益開始隨頻率增加而變大，即放大高頻分量；然后到了第一個(gè)極點(diǎn)1.95GHz，增益維持不變；最后到了最后一個(gè)極點(diǎn)5GHz，增益隨頻率變小。

圖8 USB3.2 Gen1 接收端采用的CTLE

03 判決反饋均衡（DFE）

DFE是一種在數(shù)字通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的信道均衡技術(shù)。DFE均衡器是一種非線性均衡器，它通過引入一個(gè)決策反饋環(huán)路，利用已經(jīng)解調(diào)的數(shù)據(jù)來消除傳輸信道引起的信號(hào)失真。其基本原理是將接收到的信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整均衡濾波器的參數(shù)，從而使兩者的差異最小化。這種預(yù)測(cè)基于信號(hào)的特性和傳輸通道的特性，從而可以更準(zhǔn)確地恢復(fù)信號(hào)。

下圖為3階DFE，輸出的信號(hào)經(jīng)過經(jīng)過單位延遲后，乘以不同的權(quán)重系數(shù)（C0，C1和C2），再與輸入信號(hào)相加，然后輸出到達(dá)判決器，當(dāng)信號(hào)幅度大于預(yù)設(shè)值，則判為邏輯高電平，否則為邏輯低電平。DFE的優(yōu)點(diǎn)是在不放大噪聲的情況下降低碼間干擾，減少了每個(gè)信號(hào)的拖尾，使每1bit的信號(hào)響應(yīng)都比較集中，進(jìn)而增強(qiáng)了接收端信號(hào)的質(zhì)量（見圖9上方的DFE之后輸出的波形）。

圖9 3階DFE架構(gòu)圖

04 均衡技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

在高速電路設(shè)計(jì)中，均衡技術(shù)是解決信號(hào)完整性的重要手段，尤其在應(yīng)對(duì)高頻信號(hào)分量衰減，碼間干擾（ISI）等問題中至關(guān)重要。實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要結(jié)合高速信號(hào)和傳輸信道的特點(diǎn)，選擇合適的均衡器類型，并設(shè)定合適的參數(shù)（例如均衡器的權(quán)重系數(shù)），否則可能會(huì)適得其反。

AI技術(shù)現(xiàn)在飛速發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用到了均衡領(lǐng)域。工程師們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如LSTM）實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)傳輸信道的變化，通過分析接收眼圖的特征，動(dòng)態(tài)調(diào)整均衡器的相關(guān)參數(shù)（如CTLE增益、DFE抽頭數(shù)和權(quán)重系數(shù)等等），避免了人工干預(yù)，快速地適應(yīng)系統(tǒng)的變化。

PART 3

羅德與施瓦茨的示波器的

均衡功能以及應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)的傳輸速率越來越快，因此高速電路系統(tǒng)越來越多地采用FFE，CTLE和DFE等均衡技術(shù)。而作為現(xiàn)代電子工程師的“眼睛”的示波器，需要具備同樣的均衡能力，用來模擬被測(cè)信號(hào)經(jīng)過電路系統(tǒng)中均衡器后的形狀并疊成眼圖，助力工程師評(píng)估其采用的均衡技術(shù)是否滿足系統(tǒng)的要求。

01 羅德與施瓦茨的示波器的均衡功能

羅德與施瓦茨公司（簡(jiǎn)稱R&S）的RTP和RTO等示波器的嵌入和均衡選件K126，具備在發(fā)送端模擬FFE（實(shí)現(xiàn)預(yù)加重或去加重），在接收端模擬CTLE和DFE，此外還能模擬通道的損耗（例如，嵌入芯片封裝或PCB走線或長(zhǎng)電纜的傳輸損耗）。

該選件的特點(diǎn)有：

人性化的設(shè)置，可以靈活定義傳輸信道上的均衡模塊以及嵌入模塊

可設(shè)置的均衡和嵌入模塊的數(shù)量多達(dá)5個(gè)

任意定義TX-FFE（實(shí)現(xiàn)預(yù)加重和去加重）、CTLE、DFE 等均衡模塊的級(jí)聯(lián)

根據(jù)通用接口標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)定義均衡系數(shù)（如FFE和DFE的階數(shù)和權(quán)重系數(shù)，CTLE的階數(shù)和零點(diǎn)/極點(diǎn)/增益等）

圖9 R&S的均衡設(shè)置界面（左：R&S的靈活的均衡和去嵌設(shè)置界面 右：R&S接收端的均衡設(shè)置）

需要說明的是，R&S示波器的均衡模塊，還可以自適應(yīng)均衡系數(shù)。即無須工程師設(shè)定均衡器的相關(guān)參數(shù)，R&S示波器會(huì)根據(jù)原始波形和傳輸信道的特點(diǎn)，自己訓(xùn)練出一套合適的均衡系數(shù)，幫助工程師加速設(shè)計(jì)高速電路的均衡模塊。

圖10 R&S自適應(yīng)均衡：根據(jù)波形和信道的特點(diǎn)，訓(xùn)練均衡模塊，獲得最佳參數(shù)

02 羅德與施瓦茨的示波器的均衡功能的應(yīng)用

以R&S的RTP示波器測(cè)試USB3.2 Gen1信號(hào)為例。R&S的RTP示波器具有4通道，最高16GHz的帶寬。如下圖所示，RTP示波器通過18GHz的射頻線纜，連接好USB3夾具和USB被測(cè)件。RTP測(cè)試USB被測(cè)件發(fā)出的CP0信號(hào)（5Gbps的PRBS信號(hào)），并疊加出眼圖。

圖11 RTP示波器測(cè)試USB設(shè)備的連接圖

如圖13的右上所示，在被測(cè)件的發(fā)送端（Tx）直接測(cè)試眼圖，眼圖完全張開，質(zhì)量很好。利用RTP的嵌入功能，模擬USB信號(hào)的傳輸信道，由于信道的低通特性，對(duì)高頻分量的衰減更大，導(dǎo)致眼圖模糊，張開很小，已經(jīng)碰到測(cè)試模板（圖13右中）。此時(shí)需要在接收端加上CTLE均衡，抵消均衡傳輸信道引起的衰減差。

打開RTP的CTLE設(shè)置界面，根據(jù)USB3.2 Gen1的CTLE規(guī)范，設(shè)置直流增益為-3.52dB，一個(gè)零點(diǎn)為650MHz，兩個(gè)極點(diǎn)分別為1.95GHz和5GHz。圖12右下方即為CTLE的頻響曲線，與USB3.2 Gen1的要求完全吻合。

圖12 RTP示波器的CTLE設(shè)置界面（左：DC gain 右：零點(diǎn)，極點(diǎn)和CTLE的頻響曲線）

經(jīng)過傳輸線纜的信號(hào)，在CTLE的作用（衰減低頻，放大高頻）下，平衡了低頻和高頻的能量，抵消了傳輸線纜引起的衰減差，RTP“還原”出的眼圖重新張開（圖13右下）。

圖13 RTP示波器測(cè)試USB設(shè)備的眼圖（右上：發(fā)送端眼圖；右中：經(jīng)過傳輸線纜后的眼圖；右下：CTLE均衡后的眼圖）

總 結(jié)

均衡技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要手段，為系統(tǒng)的信號(hào)完整性保駕護(hù)航。均衡技術(shù)也是現(xiàn)代示波器的核心武器，用以應(yīng)對(duì)高速信號(hào)測(cè)試測(cè)量的挑戰(zhàn)。R&S公司的RTP和RTO示波器可以模擬FFE，CTLE和DFE等均衡模塊，最大的“還原”電路系統(tǒng)的最終信號(hào)，并且其強(qiáng)大的自適應(yīng)均衡系數(shù)功能可以幫助工程師加速芯片和電路的均衡模塊的設(shè)計(jì)。

未來，隨著AI技術(shù)的發(fā)展，示波器的均衡功能將更加智能化，助力工程師完成高速數(shù)字信號(hào)的測(cè)試和調(diào)試。因此，均衡技術(shù)的原理與示波器應(yīng)用技巧，無疑是數(shù)字時(shí)代電子工程師的必備技能。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 多年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。