（微电子学与固体电子学专业论文）高速通信系统中的模拟均衡器研究.pdf

摘要 传输线中的高速数据传输存在着由于传输线的传输损耗引进的码间干扰，限 制了传输速率和传输距离。均衡器电路实现的功能就是补偿数据的高频损耗。传 输线均衡器放置于信号的接收端，通过增强信号的高频分量来补偿信号通过介质 的损耗，使接收机接收到的信号的高频分量和低频分量的幅度相差最小，减小码 间干扰。 本文对高速串行通信系统s a t a 中的均衡器电路进行了研究。分析了传输损耗 的原因，对实际的s a t a 线缆的衰减进行测量和模拟，介绍了均衡技术的基本原理， 在此基础上设计了一个高速c m o s 均衡器，用m o s 晶体管作开关分别控制不同 的电容，组成电容阵列来得到可调增益，补偿由于不同长度传输线引起的高频信 号衰减。采用s m i co 1 3 9 mc m o s 工艺实现，能够均衡传输速率为3 g b p s 的差分 信号。均衡器有效补偿了信号的高频分量，提高了信号质量，使得高频信号能以 更大的传输速率传播更远的距离，并且使时钟数据恢复变得更加容易。 关键词：均衡预加强补偿传输损耗可调 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h r a t e d a t ac o m m t m i c a t i o no v e rc a b l es u f f e r sf r o m i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e i n t r o d u c e db yt h ec a b l e st r a n s m i s s i o nl o s sw h i c hl i m i t st h ed a t em t ea n dd i s t a n c e t h e i n t e r - s y m b o l - i n t e r f e r e n c e c a l lb e g r e a t l yr e d u c e di f t h er e c e i v e r i n c l u d e sac a b l e e q u a l i z e r r e c e i v e re q u a l i z a t i o n r e f e r st oam e t h o do f r e s t o r i n g a s i g n a l s h i g h - f r e q u e n c yc o m p o n e n t st h a tt h em e d i ap r e f e r e n t i a l l ya r e n u a t e s l o c a t e da t t h e r e c e i v ee n do ft h ec a b l e ，t h ee q u a l i z e rc o m p e n s a t e st h ec h a n n e ll o s sb yb o o s t i n gt h e h i g h e rf r e q u e n c yc o m p o n e n t so ft h es i g n a l t h e r e b ym i n i m i z i n gt h ea m p l i t u d e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h el o wa n dh i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t so f t h eb i ts t r e a m t h i sp a p e ri sf o c u so nt h er e c e i v e re q u a l i z a t i o ni nh i 班s p e e ds a t ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e st h ec a u s e so f t h es i g n a ld e g r a d a t i o n sw h e nh j 曲s p e e dd a t a t r a v e l i n gt h r o u g hac a b l e ，s i m u l a t e st h ea e r i a la t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs a t ac a b l e , a n dt h e ne x p l a i n st h ep r i n c i p l eo ft h ee q u a l i z a t i o na n dt w ot y p eo fe q u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y ，p r e - e m p h a s i sa n de q u a l i z a t i o n f i n a l l yt h ep a p e rp r o p o s e sah i g h - s p e e d c m o sc a b l ee q u a l i z e r 、i t l la d j u s t a b l eg a i n s t h ee q u a l i z e rc a nc o m p e n s a t et h el o s so f d i f f e r e n tc a b l el e n g t h t h ev a r i a b l eg a i nb o o s ti sa c h i e v e db ys e l e c t i n gt h ec a p a c i t o r a r r a yo nc h i p t h e e q u a l i z e ri sf a b r i c a t e di ns m i co 1 3 1 mc m o sp r o c e s s ，c a ne q u a l i z e t h ed i f f e r e n t i a ls i g n a lw i t h3 g b p sd a t ar a t e t h ee q u a l i z e re f f e c t i v e l yc o m p e n s a t e st h e h i 幽f r e q u e n c yc o m p o n e n t so ft h es i g n a l ，i m p r o v e st h eq u a l i t yo ft h es i g n a l ，s ot h a tt h e l l i g hf r e q u e n c ys i g n a lc a nt r a v e lf i l r t h e rw i t hh i g h e rd a t ar a t e a n dt h ec l o c ka n dd a t a r e c o v e r yb e c o m e se a s i e r k e y w o r d ：e q u a l i z a t i o np r e - e m p h a s i sc o m p e n s a t i o n t r a n s m i s s i o n - l o s s t u n a t i l e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西 安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：笨翌! 鸯 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电 子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：孝盘哇本人签名：耋堡! 盈 导师签名：型 第一章绪论 1 1 1s a t a 系统概述 第一章绪论 1 1 概述 并行a t a 硬盘接口规范( p a r a l l e l a d v a n c e dt e c h n o l o g y a t t a c l t m e n t ，简称p a t a ) 在i t 产业已有很长历史。在过去2 0 年中的绝大部分时间，在盯产业最为流行的 桌面工作站硬盘标准就是p a t a 标准。随着c p u 性能提升及应用环境存在日益多 元化，对存储速度要求逐渐提高，p a t a 也将传输速率提升到1 3 3 m b p s 传输率， 其总线接口架构仍采用4 0p i i l 排线及2 个硬盘共享一个信道的方式。然而，由于 p a t a 的峰值传输速率有限，随着硬盘驱动器厂商推出的产品数据传输速率提高、 磁盘转速更快，p a t a 技术很快成为了数据传输过程中的瓶颈。最后一代p a t a 规 格在提升速率上已难以再发展，下一代的a t a 存储界面将以串行a t a 硬盘接口规 范( s e r i a la d v a n c e dt e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ，简称s a t a ) 取代p a t a 的传统地位。 s a t a 是由i n t e l 、i b m 、d e l l 、a p t 、m a x t o r 和s e a g a t e 公司共同提出的硬盘 接口规范，在i d ff a l l2 0 0 1 大会上，s e a g a t e 宣布了s e r i a l a t a1 0 标准，正式宣告 了$ a t a 规范的确立。s a t a 是一种完全不同于并行a t a 的新型硬盘接口类型， 由于采用串行方式传输数据而得名。8 a = r a 不仅改善了p a t a 的架构，并且依然保 持有高速、低成本的优势。与传统的p a t a 相比，它具有传输速率快，连接数据线 少，数据线的长度增长，高质量数据传输，支持热插拔等优点【l 】。 由于信号衰减，p a t a 的线缆长度被限制在了1 8 英寸( 4 5 厘米) 。这使得在 大型计算机设备中连接距离很长的两个连接点成了一个问题，导致特定的物理驱 动器配置模式无法执行。而且，连接p a t a 设备所使用的更宽的4 0 针带状线缆非 常不方便，并且容易阻挡计算机内部的空气流动。在某些的计算机中，还可能造 成局部区域温度过高。由于这些线缆很宽，因此很难被卷起来。在任何情况下， 这样类似的因素都使得富于创造性的配线方式变得无法实现。p a t a 设备需要5 伏特的信号。芯片设计目前的发展方向电压更低，尺寸更小。大的芯片板( c h i p p a d s ) 需要为每个a t a 信道提供2 6 x 5 伏特的信号，这意味着芯片板将决定芯片的尺寸。 更高的电压同样意味着系统的总功耗会变得很高。p a t a 的确提供了循环冗余校验 来保障数据完整性，但校验范围并没有扩展到普通的数据。 与并行肌相比，s a t a 具有比较大的优势。其中主要的是数据传输速率。 s a t a 以连续串行的方式传送数据，可以在较少的位宽下使用较高的工作频率来提 2 高速通信系统中的均衡器研究 高数据传输的带宽。s a t a1 0 定义的数据传输率可达1 5 0 m b p s ( m e g ab y t e sp e r s e c o n d ) ，这比目前最快的并行p a t a ( a t a 1 3 3 ) 所能达到1 3 3 m b p s 的最高数据传 输率还高，而在已经发布的s a t a2 0 的数据传输率将达到3 0 0 m b p s ，最终s a t a 3 0 将实现6 0 0 m b p s 的最高数据传输率。 在此有必要对s a t a 的数据传输率作一下说明。就串行通讯而言，数据传输 率是指串行接口数据传输的实际比特率，s a t a1 0 的传输率是1 5 g b p s ( c r i g a b i t s p e rs e c o n d ) ，s a t a2 0 的传输率是3 0 g b p s 。与其它高速串行接口一样，s a t a 接口也采用了一套用来确保数据流特性的编码机制，这套编码机制将原本每字节 所包含的8 位数据( 即1 b y t e = 8 b i t ) 编码成1 0 位数据( 即1 b ) 幢= 1 0 b i t ) ，这样一来， s a l a 接口的每字节串行数据流就包含了l o 位数据，经过编码后的s a t a 传输速 率就相应地变为s a t a 实际传输速率的十分之一，所以1 5 0 b p s = 1 5 0 m b p s ，而 3 0 g b p s = 3 0 0 m b p s 。 其次，由于是串行连续的方式，s a t a 一次只会传送l 位数据，这样能减少 s a t a 接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，s a t a 仅 用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接 收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。s a t a 线缆又小又 细，并可以延伸至l 米，使得在大型系统上安装设备和布线变得非常容易。更少 的线数使得连接器的体积也减小了，采用这种线缆有效的改进了计算机内部的空 气流动。 在电压方面，5 0 0 毫伏的电压就可以运行s a t a 了。s a t a 的物理设计采用四 芯接线，使用两条数据信道分别发送和接收数据，需求的电压则大幅度减低至 2 5 0 m v ( 最高5 0 0 m v ) ，较传统并行a 1 a 接口的5 v 少上2 0 0 倍。这使得系统功耗 有所减少。 s a t a 数据传输采用循环冗余校验码自动校正，提供了对普通数据端到端的完 整性检查，大幅提高数据可靠度。s a t a 还具有热插拔等功能。 从英特尔2 0 0 0 年的i d f 上发布s a t a 接口技术到现在已经有五个年头了，从 当前来看，s a t a 硬盘已经逐渐取代了传统的p a t a 硬盘，成为市场上的主流。传 输率为1 5 g b p s 的s a t a l 0 接1 2 的控制器和硬盘随处可见，s a t a2 0 传输率为 3 g b p s 接口的控制器和硬盘也已经站稳市场，当前s a t a 硬盘已经发展到了最大容 量达到5 0 0 g b 、最大单碟容量达到1 6 0 g 、最大硬盘缓存达到1 6 m b 、符合s a r a 2 5 标准的地步。 自从2 0 0 3 年第二季度i n t e l 推出的i 8 6 5 i 8 7 5 芯片组里面的的l c h 5 瓜就已经提 供s a t a 的硬盘控制器了，当时的i 8 x 5 系列只能提供基本的s a t a 特性，其时市 面上的硬盘还有一些以p a t a 接口通过附加桥接器转换为s a t a 接口的硬盘存在； 随后i n t e l 推出的i 9 1 5 i 9 2 5 的i c h 6 r 开始提供a h c i 界面，以支持本地指令队列 第一章绪论 n c q ( n a t i v ec o m m a n dq u e u i n g ) 功能，不过i 9 1 5 9 2 5 还不是所谓的s a t a 2 0 ，它 只提供了有限的s a t a3 g b p s 特性，接口速率仍为1 5 g b p s ，再之后h a t e l 推出的 i 9 4 5 ，i 9 5 5 的i c h 7 r 才真正支持3 g b p s 的界面速度，并提供了大量的s a t a3 g b p s 特性。国内的s a t a 发展相对较缓慢，s a t a 2 0 还处于开发阶段。 1 1 2s a t a 系统中的均衡技术 新的高速串行接口技术s a t a 的出现为设计者带来了一个主要的好处，就是为 芯片与芯片的接口间传送数据提供了更大的带宽，使得高速的数据传输成为可能。 然而，高速信号技术相比一般的数字信号也存在很多问题。一个关键的问题就是， 在所有的传输介质中都存在着与频率相关的传输损耗。它主要是由趋肤效应和介 质损耗引起的1 2 j 。频率越高，趋肤效应和介质损耗就越明显，导致的传输损耗就越 大。这种传输损耗引起信号的高频分量的衰减比低频分量衰减大，使得接收机接 收到的信号码间干扰i s i ( i n t e r s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e ) 严重，从而导致难以进行时 钟数据恢复c d r ( c 1 0 c ka n dd a t ad i s c o v e r y ) 和高的误码率b e r ( b i t - e r r o r - r a t e ) ， 使得接收机正确接收信号十分困难，从而在很大程度上限制了数据传输频率和传 输距离1 3 1 。 均衡技术就是能解决高速数据传输中由于传输线损耗引起的衰减问题的一种 方法。其主要作用就是抵消或减小电缆的非线性对数据传输误码率的影响。对于 数据传输线长度不定的信道，利用自适应均衡器可以抵消传输线长度变化带来的 影响【4 】。它可以大大减小数据传输的码间干扰，减小误码率。由于其在高速数据传 输中的重要作用，均衡技术研究已成为目前高速数据传输收发机研究中的热点。 两种主要的均衡技术是发射端预加强技术和接收机均衡技术。由于接收端均 衡技术相对于发射端预加强技术具有易于实现自适应、串扰小、功耗低、电磁干 扰小等优点，所以本文将研究重点放在接收机均衡器的设计上。 高速数据传输中的接收机均衡器可以分成两大类：无源元件均衡器，有源均 衡器。有源均衡器按其实现方式又可分为模拟方式实现的有源均衡器和数字方式 实现的有源均衡器。数字方式实现的有源均衡器按其滤波器的不同又分为离散f i r 滤波器组成的有源均衡器和连续f i r 滤波器组成的有源均衡器叼。 无源元件均衡器完全使用电阻，电感，电容等无源元件来实现一个频率选择 滤波器。固定的无源均衡器很容易实现，可以工作在很大的频率范围，而且功耗 低。其缺点是补偿的范围较窄，使所有频率的信号成分都衰减，导致了低的信嗓 比。而且无源器件对模型和工艺的变化非常敏感，难以精确控制。无源均衡器常 用于接收到的信号有较大幅度，且接收灵敏度较高的情况。 4 高速通信系统中的均衡器研究 1 1 3 国内外均衡器的发展 目前国际上对均衡器的研究大都集中在有源自适应均衡器，而且模拟方式实 现的有源自适应均衡器近年来在国外很流行。几年前，高速均衡器大多数用双极 工艺实现的，因为双极工艺能够实现的最高频率高于c m o s 工艺所能实现的最高频 率。在1 9 9 9 年，双极工艺实现的自适应均衡器已经能够工作在2 5 g b p s l 拘n g t s l 。 而能够查到的相关资料表明，与此同时的c m o s 工艺实现的自适应均衡器还仅能工 作于几百兆b p s 的频率范围以下【”。但近年来，随着c m o s r 艺的侠速发展，其所 能工作的频率越来越高，已经能够满足高速数据传输的要求，c m o s 工艺的均衡器 研究也得到了飞速的发展。 i e e e 最新发表的文献表明，目前，国际上最先进的自适应模拟接收机均衡器 其数据传输率最高可达到2 0 g b p s i s l ，在1 0 g h z 时的高频补偿最多可达2 0 d b ， b e r 、屏蔽、绝缘率、温度率、可焊性。尺寸、重量、成本等等。 除了这些因素外，很多具体的应用都只限于使用一些已有的传输线。对于一 个已有网络，如果要替换节点处的电线，改进传输线结构的成本是很高的。同样， 如果想要扩展一个已有网络，则新的传输线必须能与已有的装置兼容。这些限制 第二章传输线 会让网络设计者们用其他的传输线，而不是适用于最好数据传输性能的最好传输 线。在这种情况下，用一些灵活的方法来补偿电缆中不期望的损耗很有必要。 因为s a t a 串行传输数据，一次只会传送1 位数据，这样能减少s a t a 接口的 针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，p a t a 使用的是4 0 针 的带状线缆，而s a t a 仅用四支针脚就能完成所有的工作。一条串行路径传送差 分信号，另一条串行路径将接收到的信息返回给发射机。每条串行路径包含两条 差分信号线。这样，s a t a 总线一共包含4 根信号线。控制信息作为预先定义好的 比特发送。 s a t a 所用的电缆是一条细小的4 针线缆，分别包括发射和接收信号的两条差 分对线。为了节省空间，s a t a 系统要求连接线缆要轻巧细小、柔韧性好。为了减 小阻抗和串扰，很多s a t a 线缆都在外部增加了屏蔽线。最大的s a t a 电缆线长为 1 米。 为了得到实际的s a t a 线缆的衰减，本文对市面上的两种不同型号s a t a 线缆 进行了测量。两种型号分别是s 谢a la t a2 6 a w ge 7 4 0 2 0 - c 和s e r i a la t ac a b l e 2 6 a w oc o p a r ：仆陋re 1 1 9 9 3 2 。由于条件的限制，本文仅对o 3 米和1 米长的s e r i a l a i a2 6 a w ge 7 4 0 2 0 c 线缆和0 5 米长的s e r i a la r ac a b l e2 6 a w gc o p a r t n e r e 11 9 9 3 2 线缆在不同频率下进行了测量。测量在安捷伦开放实验室( a 西l e mo p e n l a b ) 完成。所用的测量仪器为安捷伦的四端口网络分析仪，测量软件是安捷伦公 司的p l t s 软件。 表2 1 给出了实际的线缆测量结果，该结果是多次测量的平均值。左边一列是 线缆的长度和型号，最上面一行表示的是频率。从整体的测量结果来看，可以看 到，正如我们在前面讲述的一样，信号的衰减随频率的增加而增加。在超过一定 的频率( 信道的带宽) 后，衰减迅速增加。比较型号相同的两条长度不同线缆， 信号的衰减随线缆的长度增加而增加。 表2 1s a t a 线缆衰减测量数据 即啪c y k 7 5 0 m h z 1 5 g h z3 g h z6 g h z 0 3 me 7 4 0 2 0 c0 5 3 d b o 7 2 d b4 4 5 d b9 1 5 d b l me 7 4 0 2 0 1 1 3 d b2 0 8 d b5 0 9 d b 1 0 5 7 d b 0 5 me 1 1 9 9 3 2o 5 5 d b1 8 0 d b3 4 7 d b1 3 _ 3 d b 得到了s a t a 线缆的实际衰减测量数据后，本文利用m a t l a b 软件瞄2 3 1 模拟了 l 米长线缆的衰减随频率的变化( 如图2 6 和2 7 ) 。 1 4 高速通信系统中的均衡器研究 在图2 6 中，频率变化范围为1 h z 到1 0 g h z 。在低频的时候，线缆的衰减很小， 对信号几乎没有影响。但当达到一定频率之后，电缆的衰减大幅增加，随频率变 大衰减增加的很快。 图2 6 用m a t l a b 模拟s a t a 线缆的衰减 让我们把目光锁定于我们所关注的频率，如图2 7 ，将i g h z 到6 g h z 时的衰 减曲线放大，我们观察到，该曲线基本能准确反应1 米长的型号为s e r i a la t a 2 6 a w ge 7 4 0 2 0 c 的线缆的衰减特性。 著匪雷蚕 图2 7 用m 矾a b 模拟s a t a 线缆的高频衰减 利用m a t l a b 模拟得到的理想伪随机二元信号方波在经过1 米长的型号为s e r i a l a t a 2 6 a w g e 7 4 0 2 0 c 的线缆后的输出波形如图2 8 。在信号发生跳变的高频部分， 信号的衰减比较严重。这种情况下，就必须要使用一些方法来补偿或修复信号成 分的丢失。这些方法尽量使发射端的信号能重现所期望信号的重要特征。 图2 8 经过线缆衰减的随机信号 均衡技术能解决高速数据传输中由于传输损耗和串扰引起的衰减问题，其主 第二章传输线 要作用就是抵消或减小传输介质的非线性对数据传输误码率的影响。它可以大大 减小数据传输的码间干扰i s i ，减小误码率b e r ，提高通信质量。总之，均衡技术 是为正确进行时钟数据恢复而提高接收到的信号的质量，使得系统达到更低误码 率的目标。两种主要的均衡技术即预加强和接收机均衡。它们都要求在发射机和 接收机缓冲器上增加额外的电路来补偿高频损耗。 2 4 小结 本章主要介绍了有线数据传输系统中的传输线损耗和信号的衰减，简要介绍 了码间干扰的概念和衡量数据质量的方法，阐述了传输线损耗的主要原因。然后 在此基础上给出了s a t a 系统对传输线的要求，并对实际的s a t a 线缆进行了测量， 最后用m a t l a b 软件模拟了测量结果，直观地描述了传输线损耗带来的信号的衰减。 第三章均衡技术 第三章均衡技术 1 7 s a t a 系统对传输线的要求决定了我们不能随意选用线缆。当用好的电缆消除 信号的损失这种方法不可行或者不实际时，还有一些方法能用来补偿或修复信号 成分的丢失。这些方法尽量使发射端的信号能重现所期望信号的重要特征。均衡 技术就是这样一种方法，它能解决高速数据传输中由于传输损耗引起的衰减问题， 其主要作用就是抵消或减小传输介质的非线性对数据传输误码率的影响。 两种用于克服传输损耗的主要均衡技术是预加强和接收端均衡。 3 1 均衡原理 假定信号岛是将要被发送的信号，通过一条损耗函数为c 臼一的传输线传输， 则接收到的信号是经过衰减后的信号。如果存在这样一个模块，其实现的功能 函数恰好与传输线的衰减函数相反，在某种程度上，它们能反转或取消传输介质 的影响，这样就能抵消掉信号经过传输线的衰减，原始信号就能被修复。因此我 们的目的就是尽可能找到并实现这样一个函数表达式ho f ) = i co f ) 。 h ( ，) s ， cq ) s i g n a l- - - - - - - t r a n s m i s s i o n p r e - c o m p e n s a t i o n l o s s e s c ( ，) 岛 h ( | ) t r a n s m i s s i o n - - - - - - - - _ -s i g 砌 l o s s e s p r e - c o m p e n s a t i o n 图3 1 信号修复流程；预加强和均衡 在s d o m a i n 里，式( 2 - 2 ) 可以写成 c ( s ) = e x p ( - k , t q s )( 3 - 1 ) 其反函数为 日。) = 志m l + 掰( s ) ( 3 - 2 ) 也就是说，一个传输函数为蜀例的电路模块可以补偿传输线的与频率相关的 高速通信系统中的均衡器研究 损耗，使得信号通过传输线的变化与频率无关。这里，g 倒是高频增益部分，a 是 一个可变的增益调节因子，其变化范围为o 1 之间。通过正确调节放大器的增强因 子，对不同长度传输线的传输损耗实现补偿。如果这个补偿电路放置于发送端， 在信号发送之前对信号的高频分量进行加强，我们就称为预加强。如果将其放置 于接收端，对经过传输线衰减的信号的高频分量进行补偿，则称其为接收端均衡 器。 3 2 发射端预加强 发射端预加强在发射端改变原始信号，只增加信号的高频分量，而使低频分 量保持原始状态。然后当改变后的信号通过传输线被发送时，高频成分被衰减， 接收机接收到的信号就和原始信号特性相似( 如图3 2 ) 。如果电缆的衰减特性已知， 则预加强在理论上能精确补偿电缆的损耗。 一t ，_ ， 一囊w _ _ _ i 咐删 图3 2 发射端预加强 预加强的功能在频域和时域都不难理解。当数据率高于信道的带宽时，二元 信号不能在一个信号间隔内完成转换，就会延伸到相邻的信号，也就是我们知道 的码间干扰。实际上，在驱动端有几种方法可以增强信号的高频成分。一种就是 每当在数据中存在一个跳变时，就加强高频信号能量的时域技术。另一种预加强 方法是在驱动器端增加可调高通滤波器的频域技术。 采用时域技术的预加强电路将已发送的前一数据比特与当前数据比特相比 较，如果这两个比特相同，则当前比特正常发送；如果这两个比特不同，则当前 比特幅度增大一定比例后发送。这种原理的实现方法是：在下一周期对信道应用 一个幅度合适的反相延迟信号，当反相延迟波形被加到原始波形上，所得到的波 形看起来就像加强了它的跳变，如图3 3 。这样，通过在发射端预加强，抵消了前 一信号带来的影响，实现了码间干扰的减小，如图3 4 。 第三章均衡技术 舢g r a m 曲i e 图3 3 预加强的实现 图3 4 预加强减小码间干扰 1 9 将一个延迟波与原始波组合的过程可以表达为 f o ) = f 0 ) + 碘x 一= ( 1 + p ( f ) ( 3 - 3 ) 其频率响应如图3 5 所示，预加强增强了高频信号，因此补偿了传输线的高频损耗。 对延迟时间为一个周期的预加强，增强的峰值发生频率为数据率时。经过时域技 术对发射信号合理的整形后，大部分原始信号的特性能被正确传送到接收机。 f r e 舭n c y 图3 5 预加强的频率响应 但是发射预加强也有其局限性。首先，必须了解电缆的衰减特性。对一般的 应用而言，设计者可能不知道在具体应用中从驱动器到接收机间的电缆长度和型 高速通信系统中的均衡器研究 号。因此，要加强多少，这个精确量一般是不知道的。第二，经过预加强后的信 号，其高频电子噪声辐射会增加。虽然我们的电路是差分对称的，能够自动抵消 信号跳变带来的噪声，但由驱动跳变和负载的不对称产生的噪声却不能抵消。第 三，发射预加强在每个数据比特需要更多的功耗，由于信号电压和信号功率间的 平方率关系，这种增加可能会很显著。例如，在一个5 0 欧姆的负载上将驱动电压 从1 5 v 增加到2 v ，瞬时功耗几乎加倍。 发射预加强还有一种变种，b p d e - e m p h a s i s 技术。它用于发射端，正好与预加 强相反的技术，比较适用于传输损耗不大的情况。这种d e - e m p h a s i s 技术减小信号 低频分量的驱动幅度，使之能够与经过衰减后的高频分量相比拟( 如图3 6 ) 。使用 这种技术串扰会较好。与传统的预加强技术不同的是，d e e m p h a s i s 没有增加信号 的驱动幅度，所以不会使电路的串扰更严重，而串扰问题在高的数据传输率下是 十分关键的。 八 1 一 k ，j l 一 一， | 、， 。 l 图3 6 发射端d e - e m p h a s i s 3 3 接收端均衡 接收端均衡器其功能类似于发射端预加强，其不同点在于接收端均衡用于接 收端，抵消长传输线中高频数据的衰减。传输线的传输损耗在频域中等效于一个 低通滤波器模型。所以理想情况下，接收机均衡器行为类似于高通滤波器，并在 信号进入接收机时放大信号。它用于接收机的前端，通过增强信号的高频分量来 补偿信号通过传输线的损耗，使接收机接收到的信号的高频分量和低频分量的幅 度相差最小，从而减少码间干扰，增强信号质量。这就允许接收机重建信号，并 成功地正确接收信号。通常在实际中是带通滤波器，一是因为半导体器件的带宽 限制，二是为了避免高频时的噪音。均衡器可以是数字的，等效于将预加强技术 用于信道的接收端；也可以是模拟的，使用r c 滤波器来补偿信道的损耗。 图3 7 给出了信号经传输线的衰减的频率响应趋势，均衡器的频率响应趋势以 及信号经均衡器补偿后的幅频曲线。可以看出，均衡器增强信号的高频分量，补 第三章均衡技术 2 1 偿高频信号通过传输线的损耗，使信号的高频分量和低频分量在传输频率范围内 增益一致，提高了数据传输速率和接收到的数据质量。 f r e q u e n c y 图3 7 均衡器补偿高频损耗 图3 ，8 是将均衡器应用于图2 5 所示串行收发机系统。如图所示，在接收端加入 均衡器后，经过传输线衰减的信号首先进入均衡器，得到高频补偿，然后才输入 到接收机。这样，接收机接收到的信号就能基本与原始发出的信号一致，实现了 对传输线损耗的补偿。 图3 8 收发机系统中的均衡器 接收机均衡器的具体实现过程在下一章将会详细介绍。 接收机均衡与预加强相比有很多优点。例如，在高增益级，其电磁干扰没有 预加强那么显著，因为系统没有在发射端增强高频信号。还由于能够在接收端设 置增益因子，所以更易于实现自适应系统；而预加强必须将接收机接收到的信号 返回到发射端才能实现自适应。然而，预加强能够在接收端产生清楚的眼图，而 均衡器的输出通常都是内部节点，必须要有特殊的实验设置来分析均衡器的性能。 接收机均衡的另一个优点是限制了对数据传输总线接收端的影响。实现接收机均 衡的收发机能被应用于已存在的系统，而不会对总线信号有什么影响。表3 1 给出 高速通信系统中的均衡器研究 了发射预加强和接收机均衡的缺点比较。 表3 1 预加强与均衡器比较 发射预加强接收机均衡 1 ) 预加强会加重串扰1 ) 均衡器信噪比低 2 ) 预加强需要更高功耗 3 ) 预加强会增加电磁干扰 很多系统中，预加强和均衡是同时组合使用的。它们功能互补，能帮助克服 很差的运行环境。但是在建立系统模型时，必须要考虑到两者的折衷关系。 合理配置预加强和均衡器，对保证系统的最优性能很重要也很必要。过度的 预补偿会给系统带来其他的问题。它会增加额外的抖动，使得接收机不能正确接 收信息。 3 4 其他解决方法 除了均衡技术以外，还有一些其他的克服传输损耗的方法。克服传输线损耗 带来的影响的最简单方法似乎就是增加信号强度以克服衰减。遗憾的是这样并不 能解决高频增益下降的问题，码间干扰也会更严重，因为信号在其周期内仍然不 能达到全驱动幅度，而且由于信号驱动的加强，可能会更多地延伸到下一信号。 由于噪声随信号一起增加，增强信号对系统的噪声也会有相应的影响。因为缓冲 器要驱动更大的电流，收发机的总功耗也会随之增加。 另一种简单的解决办法就是增加接收机的灵敏度。但是，这意味着所有频率， 不仅是信号，还有噪声，都将放大同样倍数。因此，在整个带宽内，高增益的接 收机对噪声比对信号更敏感。 另外，数据编码也是减小误码率，保证数据正确传输的有效方法。 3 5 小结 本章主要介绍了均衡技术补偿高频损耗的主要原理，在此基础上介绍了两种 主要的均衡技术发射预加强和接收机均衡，并对其优缺点进行了比较，为下 一章介绍的均衡器设计奠定了理论基础。 第四章均衡器电路设计 第四章均衡嚣电路设计 如前两章所述，在数据传输率超过1 g b p s 的数据传输中，仅仅接收输入的信 号是远远不够的。在现代高速数据传输中，传输线对通信质量有很大的影响。由 于传输线的趋肤效应和介质损耗，发射信号在传输的过程中高频部分会受到严重 衰减，我们还必须修复接收到的数据，使其有一个低的误码率。所以我们需要利 用均衡技术来补偿传输线的损耗，修复数据，改善接收到的信号的码间干扰。接 收机均衡器正是这样的均衡技术之一。它的作用相当于一个高通滤波器，用于接 收机的前端，通过增强信号的高频分量来补偿信号通过电缆的损耗，使接收机接 收到的信号的高频分量和低频分量的幅度相差最小，从而减小码间干扰，增强信 号质量。对于长度不定的传输线，需利用自适应均衡器来抵消传输线长度变化的 影响。 图4 1 是一个典型的s a t a 结构中的收发机系统。发射机首先检测到串行信号， 经过8 b 1 0 b 编码后再转换成串行信号，经驱动器发送出去；接收机接收到的信号 先经过均衡器补偿高频信号分量，然后进行时钟数据恢复，再经过串转并后解码 成正确的信号。 r e c e 嗍 p r a u 王l b 帆 图4 1s a t a 结构中的收发机 高速数据传输中的接收机均衡器可以分成两大类：无源元件均衡器，有源均 衡器。有源均衡器按其实现方式又可分为模拟方式实现的有源均衡器和数字方式 实现的有源均衡器。数字方式实现的有源均衡器按其滤波器的不同又分为离散f i r 滤波器组成的有源均衡器和连续f i r 滤波器组成的有源均衡器。 无源元件均衡器完全使用电阻，电感，电容等无源元件来实现个频率选择 滤波器。它将信号的低频成分衰减，保留经过电缆会衰减的高频信号。这种无源 均衡器和我们在第三章介绍的d e e m p h a s i s 类似。均衡器中的无源器件分别在不同 的频带内决定频率特性，使得设计变得简单。固定的无源均衡器很容易实现，可 以工作在很大的频率范围，而且功耗低。其缺点是补偿的范围较窄，使所有频率 2 4 高速通信系统中的均衡器研究 的信号成分都衰减，导致了低的信噪比。而且无源器件对模型和工艺的变化非常 敏感，难以精确控制。无源均衡器常用于接收到的信号有较大幅度，且接收灵敏 度较高的情况。 目前国内的绝大多数有源均衡器设计都采用数字方式实现，但模拟有源均衡 器近年来在国外很流行。本章主要介绍了项目中所用到的有源模拟均衡器结构和 设计，即利用分离路径放大器的有源连续均衡器。 本文在设计中采用了分层式设计方式，分别包括总体设计、均衡器核心部分 设计、偏置部分设计等等。在电路设计中采用中芯国际集成电路制造( 上海) 有 限公司的c m o s0 1 3 u m8 层布线工艺设计。 4 1 自适应均衡器系统结构 图4 2 是一个传统的连续自适应均衡器系统结构框卧2 4 1 。如图所示，输入信号 ( 即接收机接收到的，经过电缆被衰减后的信号) 被分成两路，分别通过不同的 路径传输，所以将这种结构的均衡器称为分离路径放大器组成的有源均衡器。 工c 图4 2 自适应均衡器系统框图 一部分信号通过高通滤波器，以一定的增强系数i f , 放大信号的高频成分；另一 部分信号通过全通滤波器以其原始状态传输，且与第一条路径的时间延迟保持一 致。两条通路的信号以适当的权重相加，其和等效于一个可变增益的一阶高通滤 波器，通过控制这两条路径的权重因子而控制其增益的变化。这样，就能增强由 于电缆的低通频率响应而衰减的高频信号分量，而保持其低频分量不变。 为了得到有效的增强系数o l ，从而能够合理放置这个等效一阶高通滤波器的零 点，使信号的高频分量能得到有效的补偿，我们使用一个伺服环路( s c r v ol o o p ) 来决定高频分量的等效一阶高通滤波器的零点，也就是调整增强系数i f , ，使比较器 第四章均衡器电路设计 的输入信号和输出信号尽可能一致。伺服环路由比较器、高通滤波器、整流器和 误差放大器组成。如图，经过高通滤波后，信号被输入一个比较器。比较器将输 入信号与一个参考信号相比较，将输入的模拟信号转化为方波。比较器的输入输 出信号再分别经过相同的高通滤波器和整流器，最终利用一个误差放大器来比较 其高频分量，产生高频增强系数来调整可变增益高通滤波器的高频增益。 伺服环路工作的实质，就是比较经等效一阶高通滤波器补偿后的信号在比较 器输入端和输出端的斜率。如果比较器输出端信号的斜率大于其输入端信号的斜 率，说明信号的高频部分补偿不够，误差放大器就产生一个较大的增强系数a ；如 果比较器输出端信号的斜率小于其输入端信号的斜率，说明信号的高频部分补偿 过多，则误差放大器就产生一个较小的增强系数。这样，这个模拟有源均衡器系 统就组成了一个闭合的环路，可以自动调节信号高频分量的增强系数，补偿由于 电缆长度不同引起的不同的信号衰减，实现了自适应的功能。 在前人工作的基础上，有人对上面的均衡器系统做了一些改进，不仅能调整 滤波器的高频增益，还能调整其低频增益【2 5 】。 图4 3 改进的均衡器系统 如图4 3 ，改进后的均衡器系统，同时比较信号的高频成分和低频成分，能够 减小信号幅度的偏移。为了决定高频分量的增强系数伍，伺服环路将比较器输入和 输出端信号的斜率进行比较后，调整高通滤波器的零点，使得比较器输入和输出 信号的斜率一致。在传统的均衡器系统中，误差放大器比较的只是比较器的输入 输出信号经过高通滤波后的高频分量。但是，比较器输入输出信号的斜率和信号 的低频成分也有关系。比较器输出的信号其幅度是一定的。比较器输出信号的低 频成分由比较器的输出摆幅决定。而比较器输入信号的整个低频增益是由多种因 素共同决定的，包括发射机输出驱动器的电压幅度、电缆的低频损耗、滤波器低 高速通信系统中的均衡器研究 频通路的增益等等。传统的自适应均衡器系统其低频通路的增益是固定的，而比 较器的输入和输出信号的低频分量却可能不一致，这样就会使得自适应的结果和 理想结果有所偏移。 这种自适应误差可以通过同时调整信号高频成分的增强系数和信号低频增益 而消除，即改进后的均衡器系统。其高频增强控制环路和上面的传统结构一致， 比较器的输入和输出信号经过高通滤波后被整流，然后再利用误差放大器进行比 较。误差放大器的输出经由环路电容c 2 滤波后，用于调节高频增强系数。同时， 和高频增强控制环路类似地，低频增益控制环路用低通滤波器滤掉信号的高频成 分，留下信号的低频成分，经过整流后利用误差放大器进行比较。误差放大器的 输出经由环路电容c l 滤波后，用于调节低频增益。 自适应均衡器系统要求其核心电路即等效高通滤波器不仅有较宽的带宽，并 且能够在高频时为电缆的损耗提供足够高增益的补偿。 4 2 均衡器核心电路设计 在前面我们已经介绍了均衡器的原理和系统结构，本节介绍作为均衡器系统 的核心电路一等效高通滤波器的设计。由于本文设计的均衡器用于s a t a 2 0 的 接收机，而s a t a 2 0 规定的数据传输率为3 g b p s 与1 5 g b p s 兼容，其电缆最长为1 米。由第二章s a t a 电缆的测量结果，我们知道，