Разбираемся с высокочастными эквалайзерами

Какие проблемы решают эквалайзеры?

Предположим, у вас есть передатчик TX и приемник RX, которые соединены трактом. Пусть TX - DP порт PCIe CPU, а RX - UP порт PCIe микросхемы на карточке:

Вы отправляете идеальный сигнал с передатчика (DP CPU), который выглядит следующим образом:

Резкие фронты, четкие уровни 1 и 0 - все, что требуется для безошибочного распознавания битов. А на приемнике вы получаете грустную картинку:

Естественно, корректно распознать где 0, а где 1, в данном случае абсолютно невозможно. По итогу, на приемник приходит совсем другая последовательность, что приводит некорректной работе интерфейса.

Почему так происходит?

Дело в том, что сигнал от передатчика к приёмнику проходит путь по неидеальной среде, влияющей на качество сигнала. Основные факторы, влияющие на качество сигнала:

• Ослабления сигнала за счет потерь при передаче (потери в диэлектрике, из - за шероховатости меди, падение на дорожках);
• Отражения (из - за различия в импедансах, неравномерности передающей структуры)
• Помехи (перекрестные помехи, шумы на питании/земле, сетевые помехи)

Для решения данной проблемы были созданы эквалайзеры. Цепи, способные нивелировать отрицательное воздействие на передаваемый по тракту сигнал.

Принцип работы и типы эквалайзеров

Главная цель эквалайзера - скомпенсировать АЧХ и ФЧХ системы таким образом, чтобы среда передачи не оказывала никакого влияния на сигнал.

Рассмотрим тракт на печатной плате с диэлектриком FR4, его передаточная характеристика показана красной линией. Заметим, что с ростом частоты увеличиваются и потери, таким образом на частоте 6ГГц сигнал будет ослаблен на 8дБ. Для компенсации потерь можно использовать линейный эквалайзер (зеленая линия). Усиление сигнала для такого эквалайзера растет пропорционально росту частоты (до определенного момента).

В итоге при сложении передаточных характеристик канала и эквалайзера мы получаем практически идеальную АЧХ с ослаблением около 1дБ.

Пассивные линейные эквалайзеры

Линейные эквалайзеры могут быть активными и пассивными. Простейший пассивный эквалайзер выглядит следующим образом:

На низких частотах сигнал ослабляется за счет делителя Rhp, Rl. При росте частоты сигнала импеданс Chp снижается, коэффициент деления также снижается, усиливая амплитуду сигнала относительно амплитуды на постоянном напряжении. Принцип работы схемы схож с фильтром высоких частот. Передаточная функция пассивного эквалайзера выглядит следующим образом:

Перейдем во временную область. На рисунке а) представлен сигнал на выходе передатчика, на рисунке b) - сигнал на входе приемника. Видно, что за счет ослабления амплитуды сигнала печатной платой реальная длительность 0 и 1 ошибочно уменьшена или увеличена. Данное явление называется межсимвольной интерференцией (ISI). В случае внедрения пассивного эквалайзера (рисунок c) мы ослабляем амплитуду на постоянном напряжении, но усиливаем относительно этого уровня амплитуду на рабочей частоте. В результате мы получаем корректное распознавание битов, хоть и с меньшей амплитудой сигнала.

Для анализа работы интерфейсов был придуман замечательный инструмент - глазковая диаграмма. Для получения этой диаграммы на выходе передатчика генерируется случайная (или наихудшая) последовательность битов. Щупы осциллографа устанавливаются на входы приемника. Далее осциллограф записывает все переходы сигнала за определенный промежуток и накладывает их друг на друга.

Для описанного выше примера, глазковая диаграмма без эквалайзера представлена на рисунке а), мы наблюдаем полностью закрытый глаз. Это значит, что приёмник не сможет корректно распознать 0 или 1 на своем входе. Глаз с пассивным эквалайзером представлен на рисунке b), амплитуда сигнала меньше, но теперь глаз раскрыт.

Насколько должен быть раскрыт глаз определяется спецификацией интерфейса. На глаз накладывается маска, которая визуализирует данные требования:

Активные линейные эквалайзеры (CTLE)

Активные линейные эквалайзеры применяются гораздо чаще, чем их пассивные братья, по устройству они похожи на активные ФВЧ. Активный эквалайзер уже не создает ослабления сигнала на нулевой частоте, при этом усиливая высокие частоты.

В случае применения активного эквалайзера для предыдущего примера мы увидим, что глаз раскрылся еще больше, а амплитуда не уменьшилась:

Дискретные линейные эквалайзеры (DLE)

На высоких частотах большой популярностью пользуются дискретные линейные эквалайзеры (DLE). В основе дискретных эквалайзеров лежит КИХ фильтр. Идея заключается в том, что эквалайзер умножает входной сигнал на определенные коэффициенты таким образом, чтобы усилить конкретные частоты в спектре сигнала. Для этого DLE использует набор коэффициентов совместно с линиями задержки. На рисунке проиллюстрирована работа DLE. Коэффициент C-1 называют прекурсором, коэффициенты С0-2 - посткурсорами. Прекурсор увеличивает фронт сигнала (за счет формирования небольшой отрицательной амплитуды до импульса). Посткурсоры снижают межсимвольную интерференцию за счет снижения постоянной составляющей в спектре сигнала.

В случае усиления высоких частот с помощью DLE процесс эквализации называется pre-emphasis. При ослаблении низких частот процесс называется - de-emphasis.

Cигнал c будет pre-emphasis выглядеть следующим образом:

Эквалайзеры обратной связи решения (DFE)

Линейные эквалайзеры хороши в устранении межсимвольной интерференции, но они плохо справляются с отражениями или перекрестными помехами. Для этих целей хорошо подходит DFE (Decision feedback equalizer). Его принцип работы прост: он вычитает из текущего символа часть амплитуды предыдущего символа.

Построен данный эквалайзер также на основе КИХ фильтра, но теперь он имеет обратную связь. За счет вычитания из предыдущего символа форма сигнала получается нелинейной и рваной, однако данный эквалайзер эффективно борется с помехами.

Применения

У каждого эквалайзера есть своя область применения. Линейные эквалайзеры отлично справляются с потерями, но не смогут должным образом восстановить сигнал с нелинейными изменениями, например, в случае отражений.

Рассмотрим АЧХ двух сигналов: красного и синего:

Очевидно, что для синего идеально подходит CTLE. Результат применения линейного эквалайзера для синего сигнала будет выглядеть следующим образом:

А что же будет если к этому сигналу применить DFE?

Тоже неплохо, но очевидно, что в данном случае мы создаем ненужный звон. А вот для красного сигнала с его нелинейным спектром отлично подойдет DFE. Во временной области это будет выглядеть следующим образом:

Некоторые пики остались не скомпенсированы, но по мере продвижения сигнала по тракту они сгладятся легче за счет меньшей длительности.

Отличия эквалайзеров можно заметить и на глазковой диаграмме. Для CTLE линии будут без разрывов, линейные. DFE же добавляет к глазу резкие скачки, обусловленные его принципом работы.

Реальный пример: PCIe

Устройство эквалайзеров внутри PCIe устройств

PCIe один из самых популярных высокоскоростных интерфейсов в компьютерной технике. Разберём, что же именно придумали PSI-SIG для своего детища. Для PCIe Gen.1-2 разработчики внедрили DLE на передатчике с ослаблением низких частот на 3дБ (de-emphasis):

Выше третьего поколения все стало сложнее. На передатчик добавили DLE с одним прекурсором и двумя посткурсорами:

На приемник добавили CTLE и DFE с двумя коэфециентами:

Целиком тракт теперь выглядит следующим образом:

В момент тренировки линка проводится отправка тестовых последовательностей с передатчика на приемник. Далее в память BIOS записываются коэффициенты для эквалайзеров, наилучшим образом показавшиеся себя для каждого из поколений (начиная с 3его).

Когда внутренних эквалайзеров не достаточно

Однако не всегда достаточно эквалайзеров, встроенных в приемник и передатчик устройств PCIe. В этом случае приходится ставить отдельную микросхему - редрайвер или ретаймер, в зависимости от уровня искажений и их природы. Редрайверы содержат в себе CTLE, их внутреннюю архитектуру PCI-SIG показывает так:

Подобные микросхемы позволяют в основном компенсировать потери на плате. Коэффициент усиления можно выбирать во внутренних регистрах микросхемы.

Когда линейного эквалайзера недостаточно, в дело идут ретаймеры. Эти микросхемы являются, по сути, полноценным PCIe устройством. Внутри присутствуют CTLE, DFE, DLE:

Естественно, обилие полезных возможностей ретаймеров не бесплатное удовольствие. Ретаймеры имеют гораздо большую стоимость чем редрайверы, однако иногда они - единственный выход.

Сравнительная таблица, которую приводит PCI-SIG

Заключение

У каждого типа эквализации есть свои сильные и слабые стороны. На основе этой информации вам как разработчику придется делать выбор о применении того или иного решения.