高速信号测试基础知识(去加重-预加重)分解

预加重、去加重和均衡高速信号调整技术随着信号速率的增加，高速信号的趋肤效应和传输线的介质损耗，使信号在传输过程中受损很大，为了在接收终端能得到比较好的波形，就需要对受损的信号进行补偿，常用的补偿技术有：预加重、去加重和均衡在介绍这三种信号补偿技术之前，先来介绍下趋肤效应和介质损耗。

高速串行链路系统对信号的影响当信号经过无源链路时，由于信道损耗（插损）、阻抗不连续（反射、回损）、其它信道的干扰（串扰）等，信号完整性受到破坏、信噪比（SNR）降低，以至于信号传递可能出现误码（BER）。

·影响SNR的还有振铃,EMI, 地弹, 开关电源噪声, 热噪声, 白噪声/闪烁噪声/随机噪声, 环境变化（温度、湿度，等）。

趋肤效应：交变电流(alternating electric current, AC)通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。

这种现象称“趋肤效应”。

趋肤效应使导体的有效电阻增加。

频率越高，趋肤效应越显著。

当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。

介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗叫介质损耗。

在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角叫做介质损耗角，该角的正切值称为介质损耗因素。

在高速信号传输中，信号的高频分量衰减要比低频分量的衰减大很多，传输线路表现出来的特性像一个低通滤波器。

如下图所示。

片内解决方案-均衡技术发送端：预加重或去加重接收端：有源连续时间线性均衡器(CTLE,Continuous Time Linear Equalizer)，前馈均衡器(FFE,Feed-Forward Equalizer) ，判决反馈均衡器(DFE,Decision Feedback Equalizer)预加重(Pre-emphasis)：前面已经介绍过了，信号传输线表现出来的是低通滤波特性，传输过程中信号的高频成分衰减大，低频成分衰减少。

传输损耗的补血小药瓶：预加重无线通信中会采用预失真的方法补偿功放的非线性，对于有线通信也是这样的。

很多常用的电路板材料或者电缆在高频时都会呈现出高损耗的特性。

目前的高速串行总线速度不断提升，使得流行的电路板材料达到极限从而对信号有较大的损耗，这可能导致接收端的信号极其恶劣以至于无法正确还原和解码信号，从而出现传输误码。

如果我们观察高速的数字信号经过长的传输通道传输后到达接收端的眼图，它可能是闭合的或者接近闭合的。

因此工程师可以有两种选择，一种是在设计中使用较为昂贵的电路板材料，另一种是仍然沿用现有材料，但采用某种技术来补偿传输通道的损耗影响。

考虑到在高速率的情况下低损耗的电路板材料和电缆的成本太高，我们通常都会优先尝试相应的信号补偿技术，预加重和均衡就是高速数字电路里最常用的两种信号补偿技术。

通常情况下预加重技术使用在信号的发送端，通过预先对信号的高频分量进行增强来补偿传输通道的损耗。

预加重技术由于实现起来相对简单，所以在很多数据速率超过1Gb/s的总线中广泛使用，比如PCI-E、SATA、USB3.0、Displayport等很多总线中都有使用。

当信号速率进一步提高以后，传输通道的高频损耗更加严重，仅仅靠发送端的预加重已经不太够用，所以很多高速的总线除了对预加重的阶数进一步提高以外，还会在接收端采用复杂的均衡技术，比如PCI-E3.0、SATA Gen3、USB3.0、Displayport HBR2、10GBase-KR等总线中都在接收端采用了均衡技术。

采用了这些技术后，FR4等传统廉价的电路板材料也可以应用于高速的数字信号传输中，从而节约了系统实现的成本。

预加重（Pre-emphasis）是一种在发送端事先对发送信号的高频分量进行补偿的方法，这种方法的实现是通过增大信号跳变边沿后第一个bit（跳变bit）的幅度（预加重）来完成的。

比如对于一个00111的比特序列来说，做完预加重后序列里第一个1的幅度会比第二个和第三个1的幅度大。

高速串行总线的信号完整性验证随着第三代I/O技术的出现，人们开始步入高速传输的时代。

在使用PCI Express、SATA等高速串行总线时，如何保持信号的完整性是一个挑战。

本文结合实例，介绍信号完整性验证的基础知识和方法。

一般来讲，电子产品的设计都离不开以下几个部分：电源、时钟、复位信号、总线和接口，正是这些各个部分的信号连接着整个系统，也是决定系统稳定性的重要角色之一。

系统的稳定性和设计质量的好坏，从信号本身的角度可以看出丝许端倪，其实这也就是信号完整性研究的内容。

---随着技术的不断发展，设计工程师会越来越多地面临着高速信号的设计处理的问题，高速数据总线技术的发展，也给测试带来了新的挑战。

---本文引用地址：http://eepw/arTIcle/196100第三代I/O技术PCI Express，使人们可以突破以往PCI带宽较窄的瓶颈限制，从而更加灵活地设计的自己高性能系统。

对于PCI Express的测试，PCISIG已经有详细的测试方法了，但是实际系统千差万别，PCISIG也不可能一一规定得清清楚楚，所以这就需要对各个总线规格的技术特征要有深入的了解，确定到底那条才是符合实际系统的标准。

不只是PCI Express，光纤通道（Fiber Channel）、Infiniband、千兆以太网、1394b、USB等信号的测量也有同样的问题。

---对于任何总线或是信号的测试，首先要对其所用的技术规格非常熟悉，一个经验丰富的工程师只需要看技术规范，就能大致找到测试方法，当然有的时候需要配置完备的仪器才行。

---首先来看眼图的测量，要测试眼图就得先找到规定的眼图的模板，也就是Eye Mask。

各个技术规格都会有明确的规定，工程师可以从技术规范中找出眼图模板的规格，在测试仪器上（如示波器）按照规格进行编辑眼图模板，图1是光纤通道标准规定不同的点对应。

预加重、去加重和均衡高速信号调整技术随着信号速率的增加，高速信号的趋肤效应和传输线的介质损耗，使信号在传输过程中受损很大，为了在接收终端能得到比较好的波形，就需要对受损的信号进行补偿，常用的补偿技术有：预加重、去加重和均衡在介绍这三种信号补偿技术之前，先来介绍下趋肤效应和介质损耗。

高速串行链路系统对信号的影响当信号经过无源链路时，由于信道损耗（插损）、阻抗不连续（反射、回损）、其它信道的干扰（串扰）等，信号完整性受到破坏、信噪比（SNR）降低，以至于信号传递可能出现误码（BER）。

•影响SNR的还有振铃,EMI, 地弹, 开关电源噪声, 热噪声, 白噪声/闪烁噪声/随机噪声, 环境变化（温度、湿度，等）。

趋肤效应：交变电流(alternating electric current, AC)通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。

这种现象称“趋肤效应”。

趋肤效应使导体的有效电阻增加。

频率越高，趋肤效应越显著。

当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。

介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗叫介质损耗。

在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角叫做介质损耗角，该角的正切值称为介质损耗因素。

在高速信号传输中，信号的高频分量衰减要比低频分量的衰减大很多，传输线路表现出来的特性像一个低通滤波器。

如下图所示。

片内解决方案-均衡技术发送端：预加重或去加重接收端：有源连续时间线性均衡器(CTLE, Continuous Time Linear Equalizer)，前馈均衡器(FFE, Feed-Forward Equalizer) ，判决反馈均衡器(DFE, Decision Feedback Equalizer)预加重(Pre-emphasis)：前面已经介绍过了，信号传输线表现出来的是低通滤波特性，传输过程中信号的高频成分衰减大，低频成分衰减少。

什么是高速数字信号？高速数字信号由信号的边沿速度决定，一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号，而高频信号是针对信号频率而言的。

高速电路涉及信号分析、传输线、模拟电路的知识。

错误的概念是：8KHz帧信号为低速信号。

多高的频率才算高速信号？当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时,即认为是高速信号.对于数字电路，关键是看信号的边沿陡峭程度，即信号的上升、下降时间,信号从10%上升到90%的时间小于6倍导线延时,就是高速信号!即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线理论。

信号完整性研究：什么是信号完整性?时间:2009-03-11 20:18来源:sig007 作者:于博士点击: 1813次信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量，当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。

当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题，信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。

一般认为，当系统工作在50MHz时，就会产生信号完整性问题，而随着系统和器件频率的不断攀升，信号完整性的问题也就愈发突出。

元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。

1、什么是信号完整性（Singnal Integrity）？信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。

信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。

主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。

常见信号完整性问题及解决方法：问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线, 检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻2、什么是串扰（crosstalk）？串扰（crosstalk）是指在两个不同的电性能之间的相互作用。

随着信号速率的增加，高速信号的趋肤效应和传输线的介质损耗，使信号在传输过程中受损很大，为了在接收终端能得到比较好的波形，就需要对受损的信号进行补偿，常用的补偿技术有：预加重、去加重和均衡。

在介绍这三种信号补偿技术之前，先来介绍下趋肤效应和介质损耗。

趋肤效应：交变电流(alternating electric current, AC)通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。

这种现象称“趋肤效应”。

趋肤效应使导体的有效电阻增加。

频率越高，趋肤效应越显著。

当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。

介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗叫介质损耗。

在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角叫做介质损耗角，该角的正切值称为介质损耗因素。

在高速信号传输中，信号的高频分量衰减要比低频分量的衰减大很多，传输线路表现出来的特性像一个低通滤波器。

如下图所示。

预加重 (Pre-emphasis)：前面已经介绍过了，信号传输线表现出来的是低通滤波特性，传输过程中信号的高频成分衰减大，低频成分衰减少。

预加重技术的思想就是在传输线的始端增强信号的高频成分，以补偿高频分量在传输过程中的过大衰减。

我们知道，信号频率的高低主要是由信号电平变化的速度决定的，所以信号的高频分量主要出现在信号的上升沿和下降沿处，预加重技术就是增强信号上升沿和下降沿处的幅度。

如下图所示。

去加重(De-emphasis)：去加重技术的思想跟预加重技术有点类似，只是实现方法有点不同，预加重是增加信号上升沿和下降沿处的幅度，其它地方幅度不变；而去加重是保持信号上升沿和下降沿处的幅度不变，其他地方信号减弱。

如下图所示。

去加重补偿后的信号摆渡比预加重补偿后的信号摆幅小，眼图高度低，功耗小，EMC辐射小。

1导言随着电子技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高，对数据传输的需求量也不断提升，10G 接口逐渐走向了消费者的面前，例如USB3.1、HDMI2.1，这些高速接口能够极大得提升用户的体验，可以更快地读写文件，提供更加高清的视频传输。

但用户的接口情况也更加复杂，需要较好性能的高速电路才能够给用户提供稳定的体验。

当前接收机性能主要通过模拟接收端眼图或误码率来衡量[1]，不能够直观地反应具体模块的性能，本文提出了一种误码分布式表验证判决反馈均衡性能的方法，主要通过误码测试结合增益组合来验证判决反馈均衡器性能，以实现10G 信号在较长数据线的稳定传输。

2信号传输信号的传输需要从发射机出发，经过芯片封装、主板、连接器、背板或线材、连接器、主板、芯片封装，最后到达接收机，如图1所示。

整个传输路径上会有通道的插入损耗、阻抗不连续、通道串扰、码间干扰等信号完整性问题，从而使信号传输受到影响，出现误码。

因此，需要进行信号完整性的处理，除了优化传输通道的阻抗、插入损耗之外，还需要通过发射机和接收机对信号进行处理，如预加重、去加重、均衡，从而实现高速信号的传输。

图1信号传输路径图3发射机3.1预加重随在信号传输通道上，高频分量衰减比低频分量大，传输通道呈现低通特性，预加重通过在发射机预先补偿传输信号高频分量，来增强信号，而信号高频分量主要是在信号的边沿处，所以预加重就是补偿信号边沿处的幅度[2]。

如图2，V diff 为差分信号的幅度，V diff-pre 为预加重之后的幅度。

图2预加重波形图3.2去加重去加重和预加重本质上是类似的，只是在实现方法上有所不同，预加重是增加信号边沿处的幅度，而去加重是减弱信号非边沿区域的幅度，从而得到类似预加重的波形。

一种高速接收机判决反馈均衡的验证方法明庆勇（上海大学通信与信息工程学院，上海200444）[摘要]随着芯片速度的不断提高，接收机性能验证变得尤为重要，本文主要根据连续时间线性均衡器中交流增益和直流增益的组合，结合误码测试分析结果，提出了一种误码分布式表验证判决反馈均衡性能的方法，可以直观地检查高速接收机判决反馈均衡器对信号的补偿效果，为芯片性能提供依据。

预加重理论已经证明,鉴频器的输出噪声功率谱按频率的平方规律增加。

但是，许多实际的消息信号，例如语言、音乐等，它们的功率谱随频率的增加而减小，其大部分能量集中在低频范围内。

这就造成消息信号高频端的信噪比可能降到不能容许的程度。

但是由于消息信号中较高频率分量的能量小，很少有足以产生最大频偏的幅度，因此产生最大频偏的信号幅度多数是由信号的低频分量引起。

平均来说，幅度较小的高频分量产生的频偏小得多。

所以调频信号并没有充分占用给予它的带宽。

因为调频系统的传输带宽是由需要传送的消息信号（调制信号）的最高有效频率和最大频偏决定的。

然而，接收端输入的噪声频谱却占据了整个调频带宽。

这就是说，在鉴频器输出端噪声功率谱在较高频率上已被加重了。

为了抵消这种不希望有的现象，在调频系统中人们普遍采用了一种叫做预加重和去加重措施，其中心思想是利用信号特性和噪声特性的差别来有效地对信号进行处理。

即在噪声引入之前采用适当的网络（预加重网络），人为地加重（提升）发射机输入调制信号的高频分量。

然后在接收机鉴频器的输出端，再进行相反的处理，即采用去加重网络把高频分量去加重，恢复原来的信号功率分布。

在去加重过程中，同时也减小了噪声的高频分量，但是预加重对噪声并没有影响，因此有效地提高了输出信噪比。

上图所示为简单的预加重和去加重电路的频率幅度响应曲线。

该电路的实现可以用简单的RC高通和低通滤波器回路来实现。

在System View中可直接使用射频/模拟图符库中的RC滤波器电路来仿真。

通常的预加重和去加重频率响应曲线斜率取6dB/倍频程。

有关RC的参数和计算，请参考相关教科书，也可在System View的设计窗口中通过改变参数，观察波特图来确定。

预加重电路在RS-485通信中的应用Maxim公司北京办事处魏智在RS-485通信中，数据传输距离由于传输线阻抗和码间干扰（ISI）引起的信号衰减与畸变而受到限制。

一般情况下，传输线阻抗与终端阻抗相比可忽略不计，但在远距离传输中，传输线阻抗对信号传输有着不可忽略的影响，具体影响取决于所用电缆的阻抗与终端所接匹配阻抗的分压，例如，在选用4000英尺长、特征阻抗为100Ω #24AWG双绞线时，导线电阻会造成-6dB的信号衰减。

每个千兆位背板、连接线和电缆都会使通过它的信号产生衰减，这种信号衰减可能很轻微也可能是致命的，决定于导体的几何尺寸、材料、长度和使用的连接器类型。

由于通信工程师一生都在与正弦波打交道，因此他们更喜欢在频域内描述这种失真。

图1显示了采用50Ω的带状线(或100Ω的微分带状线)终结的信道增益，也称为频率响应。

这种带状线类似于低通滤波器，对高频正弦波的衰减比低频波更厉害。

图2显示了数字信号通过20英寸(0.5米)的FR-4微带线后的衰减情况。

在连接线中电介质和趋肤效应的损耗降低了脉冲信号的幅度，使其上升沿和下降沿更加发散。

我们喜欢称接收到的脉冲为“短脉冲(runt pulse)”，因为其信号幅度比通常的都小。

在二进制的通信系统中，任何不能以足够余量超过接收器门限的短脉冲都会造成误码。

本文讨论了在高速串行链路中降低短脉冲信号幅度的三种情况：连接线或电缆、因为连接器和其它信号转换带来的反射、驱动器和接收器的有限带宽。

图3显示了典型的信号传播测试。

对这个波形进行调整，以使这个测试信号长的平坦部分代表在你的数据代码中长串的0或1，来显示短脉冲幅度，这是一种最糟糕的情况。

在不存在反射、串扰或其他噪声的情况下，单个波形(在接收端所测试的)代表了信道散射的最差情况测试。

更长的连接线将引入更多的散射问题，最终导致接收器在1.5米(本实例的情况)的长度就不能正常接收信号。

电压余量是衡量接收器上信号品质的一种尺度，该数值等于发生瞬间采样时信号幅度与接收器阈值之间的最小差值(单位：伏)。

在一个反射、串扰或其他噪声为零的系统中，从理论上讲，即使在电压余量非常小的条件下您也能够期待系统实现理想的工作性能。

然而，在实际的系统中，您必须保持一个足够大的噪声余量，以容忍系统中最大的反射、串扰和其他噪声，同时依然保持接收信号以足够的余量高于阈值电平，以克服接收器的有限带宽和噪声问题。

按照图4所示的例子，短脉冲幅度等于正常低频信号幅度的85%，只超过接收器门限电平35%，而不是正常情况的50%。

预加重及去加重在无线音频设备中的应用邝永辉【摘要】针对在测量车载收放音机电压频率特性参数时,发现采用预加重电路和未采用预加重电路测量时,音频信号较高频率的电压衰减分贝数差别比较大的问题,首先介绍了测量汽车收音机电压频率特性指标所用到的相关测量仪器、测量方案、测量依据标准,其次分别介绍了采用预加重电路和未采用预加重电路时测量得到的电压频率特性结果,最后分析了预加重及去加重理论原理.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2012(036)012【总页数】5页(P33-37)【关键词】预加重;去加重;信噪比;电压频率特性;车载收放音机【作者】邝永辉【作者单位】江门市质量计量监督检测所,广东江门529000【正文语种】中文【中图分类】TN912.2调频和调幅是无线信号调制方式中两种常用的方式，调频产生的音频信号一般比调幅的要好，因此大部分无线通信设备都采用调频调制方式。

在调频调制方式中，接收机端的鉴频器主要用于将音频信号从高频载波信号中解调出来。

但是理论证明鉴频器的输出噪声功率谱随频率的二次方而增加，频率越高时，经鉴频器输出的噪声的功率也越大;而另一方面，许多实际的音频信号，例如音乐、语言等，这些音频的功率谱随频率的增加而减小，其大部分能量集中在低频范围内。

以上两个方面的原因将会造成音频信号通过鉴频器时使高频部分的信噪比严重下降。

为了避免这种现象发生，在调频系统应采用预加重和去加重的措施，即首先在噪声引入之前采用适当的预加重网络，人为地提升发射机输入的调制信号的高频分量，然后在接收机鉴频器的输出端，再进行相反的处理，即采用去加重网络把高频分量去加重，恢复原来的信号功率分布。

在去加重过程中，恢复原信号幅度的同时也减小了噪声的高频分量，因此有效地提高了输出信噪比。

笔者在测量车载收放机电压频率特性参数时，发现测量过程中采用预加重电路和未采用预加重电路时测量结果的差别较大，针对这一问题，笔者对实测电压频率特性数据进行了分析比较，并重点介绍了预加重和去加重理论，阐明了预加重和去加重技术在实践应用中的重要性。

预加重与去加重语音和图像信号低频段能量大，高频段信号能量明显小；而鉴频器输出噪声的功率谱密度随频率的平方而增加（低频噪声小，高频噪声大），造成信号的低频信噪比很大，而高频信噪比明显不足，使高频传输困难。

调频收发技术中，通常采用预加重和去加重技术来解决这一问题。

预加重(Pre-emphasis)：发送端对输入信号高频分量的提升。

去加重(De-emphasis) ：解调后对高频分量的压低。

很多信号处理都使用这个方法，对高频分量电平提升（预加重）然后记录（调制、传输），播放（解调）时对高频分量衰减（去加重）。

录音带系统中的杜比系统是个典型的例子。

假设信号高频分量为10，经记录后，再播放时，引入的磁带本底噪声为1，那么还原出来信号高频段信躁比为10：1；如果在记录前对信号的高频分量提升，假设提升为20，经记录后再播放时，引入的磁带本底噪声为1，此时依然是10：1的信躁比，但是此时的高频分量是被提升了的，在对高频分量进行衰减的同时，磁带本底噪声也被衰减，如果将信号高频分量衰减还原到原来的10，则本底噪声就会被降低到0.5.常见的杜比B系统对相应的高频段提升10db，杜比C系统提升20db。

杜比C 的降躁效果要好的多。

但是这时对记录用的磁带的高频响应要求就高了。

对应的其它的系统，例如信号传输，则要求更高的传输频带。

DVD视频中也采用了类似的方式，具体的算法和原理忘了，好像类似用4：3的画面扫描线来记录16：9的画面，因为传输过程中的数据帧是按4：3计算的，还原是再对画面做变形处理还原回16：9，这样画面会细腻的多。

理论上已证明，鉴频器的输出噪声功率谱按频率的平方规律增加。

但是，许多实际的消息信号，例如语言、音乐等，它们的功率谱随频率的增加而减小，其大部分能量集中在低频范围内。

这就造成消息信号高频端的信噪比可能降到不能容许的程度。

但是由于消息信号中较高频率分量的能量小，很少有足以产生最大频偏的幅度，因此产生最大频偏的信号幅度多数是由信号的低频分量引起。