我的均衡之de-emphasis学习笔记，掌握发送端的去加重均衡技术
一、写在前面
在下图典型的SerDes链路中，由于长距离传输通道对信号高频分量的衰减非常严重，从而导致接收端眼图质量较差，有时候甚至完全闭合。为了应对通道衰减带来的ISI(码间干扰)问题，通常会在发送端和接收端采用数字均衡技术。
在发送端常采用的均衡是pre-emphasis预加重和de-emphasis去加重，在接收端常采用的均衡技术包括CTLE、DFE、FFE等。上一篇主题我们介绍了CTLE的原理和参数设置，今天我们来研究发送端的去加重均衡技术。
图1 典型的serdes架构
二、通道的影响-ISI
ISI是Internal symbol interface的简称，翻译成中文就是符号间干扰，也叫码间干扰。那么它是由什么造成的呢？
在系统板上传输线走线长度长往往可以达到几十英寸，损耗会非常的严重。如下图所示为一段12英寸的传输线，从频域上看，在5GHz处损耗已达到了13.2dB。
图2 12英寸传输线的插入损耗
如果考虑一个10Gbps速率的信号，经过这段传输线信号波形会是什么样的呢？这可以通过在ADS里面搭建一个仿真链路，增加两个眼图探针可以看到传输线前后的波形，设置如下图3所示。
图3 时域仿真原理图
我们可以对比一下在传输线前后的波形，如下图4所示。红色表示通道前的波形，蓝色表示经过12英寸传输线之后的波形，可以看到波形有明显的变形，原本规则的波形变的很不规整，如果接收端以0.75V/0.25V作为判断门限的话，那么图中绿线标志处就会造成这些0和1码元无法解码，进而导致误码。这就是由传输线的损耗所导致的ISI问题。
图5 12英寸传输线前后波形的对比
三、去加重对信号眼图的改善
再来看下眼图，下图是信号经过12英寸长的眼图，眼高只有173mV，同时抖动较大。
图6 去加重关闭时的眼图
若在发送端将去加重打开，设置为6dB，眼高达到349mV，提升非常明显，而且抖动也要小很多。是不是觉得去加重很神奇？
图7 去加重打开时的眼图
四、ADS中如何设置去加重
通过前面我们了解了通道对高频信号的衰减导致的ISI问题，这会造成某些码元无法被正确解出，最终导致接收端产生误码。而去加重可以调整由ISI引起的波形失真，重新使得波形相对规整，进而改善发射眼图质量，减少接收端误码。那么我们如何去设置去加重呢？
在ADS里面，在PRBS信号源里面使能去加重功能选择yes，然后有两种去加重的模式可选，一种是以dB形式设定，一种是以百分比的形式设定，下面我们分别介绍。
去加重设置
6dB去加重波形
6dB是怎么算出来的呢？这里的6dB=20*log(0.75-0.25)。这里0.75和0.25就是FIR滤波器的抽头系数。也就是我们常看到的pre-course和post-course。
这里有个关系需要满足那就是pre-course post-course=1。所以6dB=20*log(pre-course- post-course)。如果我设置成10dB，那么波形pre-course和post-course分别是多少呢？
首先计算pre-course-post-course=10^(10/20)=0.316，再结合pre-course post-course=1，计算得出pre-course=0.658，post-course=1-0.658=0.342。仿真看下波形，如下图所示，跟计算吻合。
去加重10dB
如果是以百分之来计算的话，6dB对应的是电压降低一半，因此这里设置为50%，如下图所示。可以看出，两者出来的波形是一样的，只是表示方法不一样而已。
去加重50% reduction
50% reduction对应波形
其实在ADS的通道仿真里面，TX控件里面的去加重就是用FIR taps来定义的，如下图所示。当然TX控件也可以用dB来设置，两者是等效的。
通道仿真控件TX里面的去加重设置
FIR taps电路实现
5、为什么de-emphasis可以改善眼图质量
以上我们介绍了de-emphasis在ADS中如何仿真设置的问题，那么作为一个对技术有追求的工程师，必须要问为什么de-emphasis可以改善眼图质量？
首先从时域上来看一下去加重之后的波形，这样更加加直观，如下图所示，蓝色代表没有开启去加重的波形，绿色代表开启去加重的波形，可以发现绿色的波形0和1变的比较规整了，与蓝色相比，绿色波形更加接近标准方波，因而眼图自然会好。
图6 去加重打开和关闭时的波形
我们再从频域上来分析，既然通道是低通特性，那么去加重显然就是对通道进行补偿，那就是意味着去加重的效果应该是对高频进行放大，对低频进行衰减，也是一个高通滤波器的效果。
那是不是这样呢，我们画出去加重的频率响应曲线来看。那么如何在ADS里面画出de-emphasis的频率响应曲线呢？可以使用下面的公式。
C(k)就是滤波器的抽头系数，在本列中，C(0)=0.75，C(1)=-0.25，Frate就是信号速率10Gbps，在C(k)确定的情况下，可以使用方程画出H的幅频响应曲线，如下图所示。
蓝色代表传输线本身的频率响应，跟上图是一致的，只是这里采用的是对数显示。红色代表的是去加重为6dB的FIR 滤波器本身的频率响应，就是由上述公式画出来的，从图中可以明显地看出，这就是一个高通滤波器，并且我们看到在5GHz处，增益相对低频抬高了6dB。
最终的效果将使得低频和高频之间的衰减尽量趋于一致，在更宽的范围内增益保持平坦。这跟我们之前介绍的CTLE是一样的，本质上也是提高了通道的带宽。
六、小结
以上介绍了传输线损耗对信号波形的影响，并介绍了去加重的对通道的补偿，可以明显改善信号质量，最重要的是介绍了去加重在ADS里面如何设置以及为何去加重可以改善眼图质量的原因。
小伙伴们赶紧回去run一下ADS吧，见证一下去加重的神奇之处。
七、写在最后
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