高速信号测试基础知识(去加重-预加重)

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。

预加重和去加重应用的原理1. 引言预加重和去加重是信号处理中常见的技术，它们在音频和视频处理中起着重要的作用。

本文将介绍预加重和去加重的原理及其在实际应用中的作用。

2. 预加重预加重是一种信号处理技术，用于增强高频信号的能量，以改善信号传输的质量。

在音频信号中，高频信号往往会因为信号传输过程中的频率响应衰减而损失较多。

预加重通过提高高频信号的幅度，使得信号在传输过程中的衰减相对较小。

预加重的原理如下： - 首先，通过一个高通滤波器对输入信号进行滤波，该滤波器的频率响应是一个线性增加的函数； - 高通滤波器对高频信号的增益较大，对低频信号的增益较小； - 由于高频信号在传输过程中衰减较大，通过预加重可以增加高频信号的能量，减小传输过程中的衰减。

预加重可以提高高频信号的信噪比，使得接收端能够更好地还原原始信号，从而改善音频质量。

在音频压缩编码中，预加重也被广泛应用，以提高压缩编码的效果。

3. 去加重去加重是预加重的逆过程，用于还原经过预加重处理后的信号。

在接收端进行解码之前，需要将经过预加重处理的信号进行去加重，以还原原始信号。

去加重的原理如下：- 去加重也是通过一个滤波器实现，称为去预加重滤波器；- 去预加重滤波器的频率响应是预加重滤波器的反向函数； - 去预加重滤波器可以抵消预加重滤波器引入的频率响应衰减。

去加重的目的是还原原始信号，恢复信号的平衡，使得信号的频率特性与之前的预加重处理之前基本一致。

4. 预加重和去加重的应用预加重和去加重在音频和视频处理中都有广泛的应用。

在音频处理中，预加重和去加重广泛应用于音频传输和录音等领域。

预加重可以在音频传输过程中提高信号的质量，减小高频信号的衰减。

去加重则用于解码接收到的经过预加重处理的信号，恢复原始信号的平衡。

在视频处理中，预加重和去加重主要应用于视频压缩编码和传输中。

预加重可以提高视频信号的压缩效果，改善编码后的视频质量。

在视频解码端，需要进行去加重处理，以还原经过预加重处理的视频信号。

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。

什么是预加重和去加重理论已经证明,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。

去预加重曲线图5.13、图5.14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SystemView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SystemView的设计窗口中通过改变参数，观察波特图来确定。

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。

LVDS简介LVDS（Low-Voltage Differential Signaling ,低电压差分信号）是美国国家半导体（National Semiconductor, NS，现TI）于1994年提出的一种信号传输模式的电平标准LVDS驱动器和接收器如图1-1所示的LVDS驱动器-接收器对的原理图。

驱动器中含有一个（标称值）3.5mA的电流源。

因为接收器输入阻抗很高，故整个电流实际上全部流过100Ω终接电阻，于是在接收器输入端产生了350mV（标称值）的电压。

接收器的阈值可以保证为100mV或更低；改变电流方向即可在接收器端形成幅值相同而极性相反的电压，以这种方式来产生0和1。

CML&LVPECL电流模式逻辑（Current-Mode Logic CML）和低压正发射极耦合逻辑（Low-Voltage Positive-Emitter-Coupled LVPECL）典型CML实现方案如图所示,CML技术有一个特点是在驱动器和接收器上均集成终接网络.CML使用一个无源的上拉电路（将电压拉升到正电压轨），其阻抗一般为50Ω。

大多数CML都采用了交流耦合的实现方案典型的LVPECL实现方案SerDes架构1.并行时钟SerDes并行-时钟-串化器编码示例目前TV方案使用均为此种形式的架构，从该架构图可以看出来在CLK一个周期内Data 传过7bit数据2.嵌入式时钟（起始/终止）位SerDes18bit时钟位嵌入式串化器编码示例时钟位嵌入式架构中的发送器将数据总线上的数据信号和时钟串行化，形成单路串行信号对。

两个时钟位，一路低而另一路高，被嵌入到串行流中，每隔一个周期放置一个，用于界定串化后每个字的起点和终点（因此又有另一个名称“起止位”SerDes）并在串行数据流中产生一个周期性的上升沿。

这种架构的一个好处是，数据有效负载的字宽度无需被限制为字节的倍数。

周期性嵌入时钟信号切换串化器在电路上电时就可以搜寻周期性出现的嵌入时钟信号的上升沿。