高速数据链中的决策反馈均衡

11月7日

收发器中的光纤电缆

您准备好接受太比特以太网了吗?你需要决策反馈均衡……

当你和大多数PCB设计人员谈论数字信号时，他们习惯使用两个信号电平:HIGH和LOW, ON和OFF， + 5v和0v……无论你想如何命名，你都是在标准逻辑电平上处理二进制信号。这适用于PCB上的大多数应用程序，并且是低速总线以及DDR等接口的单端部分的标准。

然而，在高级信令标准如PCIe 5.0和50GE组网中，多级信令(MLS)方案、数据编码方案和均衡方法被用于在不增加时钟速率的情况下提高数据传输速率，并确保物理长数据链路上的信号恢复。均衡方案长期以来一直用于电信的发送端，以确保足够的信号强度，但它们也在接收端实施，以在链路的接收端提供信号恢复。

在高速系统中，无论是在PCB上还是在铜或光纤上，信号都可以经历显著的符号间干扰(ISI)还有抖动以及一些外部噪音。在高速数据链路常用的均衡方案中，决策反馈均衡是一种在各种噪声源存在的情况下估计信号电平并准确恢复接收信号中的数据的常用方案。随着世界试图达到400gb /s甚至更高的速度，决策反馈均衡和相关方案对于使用PAM4等先进MLS方案的数据链路将至关重要。

高速数据链路中的MLS方案

在进入决策反馈均衡之前，了解MLS方案的一些重要方面是很重要的，特别是脉冲幅度调制(PAM)方案，用于10Base和更快的以太网链路．

下图展示了一个例子，介绍了MLS方案和其他高速数字通信信道中信号恢复所涉及的挑战。蓝色曲线为NRZ (non-return to zero)信令的位流，红色曲线为PAM4信令传输的位流，即MLS。通过将整个输出电压范围划分为4级，PAM4允许在每个单位间隔(UI)内传输2位，与NRZ或任何其他2级信令标准相比，有效地将数据速率提高一倍。然而，每个信号电平之间的裕度较低，使这些信号更容易损坏。

NRZ vs. PAM-4信号

类似的图表可以为其他PAM品种绘制。例如，各种IEEE 802.3标准使用PAM3、PAM5、PAM16等，具体取决于设计中实现的数据速率和载频。与PAM相比，NRZ是二进制位流中的一行代码，永远不会降至0v;简单的水平移动可以用来转换一个NRZ位流到另一个位流，而不需要进一步编码。就NRZ所携带的数据而言，它相当于PAM2，并且通常足够慢，以至于不需要均衡。

为什么使用均衡方案?

PAM和其他MLS方案中信号电平之间的电压差可能很小，以至于信号恢复变得困难。由于信号完整性问题的可能性，如ISI，抖动和衰减，信号水平之间的差异在一个眼图变得更小。均衡方法用于恢复在接收端眼图开始关闭的情况下的信号，包括PAM信号(以太网或PCIe)，以及其他标准，如USB 3.0和DDR5。

下图显示了在光纤传输中衰减的影响，以及随后在接收端转换为数字比特流。正如我们所看到的，与NRZ或开关键控(OOK)相比，PAM4有一个严重的闭眼。

例如，在不同距离的光纤传输后，比较NRZ或开关键控(OOK)与PAM4中的眼图

上面的眼图比较应该说明在PAM和其他MLS方案中，在板级和收发器级存在噪声是如何成为问题的。对于给定的最大信号电平(例如，5v)，随着电平的增加，每个信号电平的噪声裕度开始与信号电平之间的差相当。虽然0.5 V的噪声裕度对于标准TTL/CMOS逻辑来说是可以接受的，但在使用PAM4这样的MLS方案时，这是不可接受的。再加上抖动/斜和系统的噪声下限，您的系统比使用NRZ的相同系统有更高的误码率风险。一般来说，MLS方案比使用NRZ或任何其他2级数字比特流的相同系统的信噪比更低。利用均衡来克服这些噪声问题。

高级信令标准中的均衡

当互连跨度超过建议的最大长度时，均衡方案已用于在FR4上以高数据速率运行的数字信号提供抖动/噪声抗扰性。一个最近的例子使用USB 3.0进行检查，其中使用了一个简单的均衡方案与标准NRZ倒置(NRZI)信令。NRZI信号被发现对抖动具有鲁棒性，并且不需要复杂的自适应均衡方案来确保信号的完整性。更先进的标准将使用不同的均衡方案来预强调发射机的信号或恢复接收机的信号。

在这一点上，你有两个选择，以确保数字数据可以准确地恢复:

预加重均衡:这有效地将信号通过放大器和滤波器，然后注入通道。其思想是预测信道中的失真和噪声影响，并在传输之前应用适当的信号修改。
接收机均衡:一旦接收到信号，接收器可以使用一种技术来估计信号的电平。这可以在信道的发射端与预强调一起使用。

预加重均衡

应用于二进制位流的预强调示例(标准化比例)

决策反馈均衡

均衡有多种形式，但任何均衡方案的目标都是信号校正。决策反馈均衡(DFE)、连续时间线性均衡(CTLE)和前馈均衡(FFE)是400G以太网中PAM4使用的主要均衡方案。DFE的使用现在正在扩展到DDR5和PCIe 5，我们可以预期它的使用将继续用于更新的数字信号标准。

通过通道传输的任何信号(无论是铜线还是光纤电缆)都会由于通道的有限带宽(即传递函数)而发生一些失真。特别是信道对数字信号(即脉冲)上升/下降的响应。产生瞬变干扰信号电平，并可能从接收机输入中反射，导致ISI。均衡旨在补偿这种失真/ISI，并在噪声存在的情况下提取所需的信号。

实现决策反馈均衡需要建立在线性反馈均衡(IFE)的基础上，它在测量瞬态响应并计算其拉普拉斯变换后再现传输信号。IFE的局限性是它可能会导致噪声增益，其中滤波后的噪声实际上比未滤波的噪声更强烈。它也只考虑了当前和之前比特之间的ISI。然而，添加分布式反馈均衡电路将纠正其余符号之间的ISI。该方案的框图如下所示，其中R(t)为接收信号，S(t)为原始发送信号。

分布式反馈均衡方案