详解均衡技术在示波器中的应用

在现代电子系统中，无论是手机、AI系统、智能汽车还是通信基站，高速数字信号的传输都扮演着核心角色。然而，随着信号的传输速率不断提升，工程师们面临着一个共同的难题：即信号在传输过程中会因线路损耗、噪声干扰等因素发生严重失真，导致信号完整性（Signal Integrity，简称SI）问题日益突出。因此，电子系统需要相应的信号处理技术解决SI问题。

而作为电子工程师“眼睛”的示波器，不仅需要准确地捕捉到电路中高速信号的真实面貌，还要能够模拟电路系统中所应用的信号处理技术，“还原”出最终的信号，进而帮助工程师评估电路系统的信号完整性。

PART 1为什么需要均衡技术？

01 高速信号的“失真困境”

当数字信号速率达到数Gbps甚至更高时，由于趋肤效应和介质损耗的影响，整个传输信道（如PCB走线、过孔、连接器以及芯片封装）呈现低通效应，即在高频时呈现出比低频更大的损耗（图1所示）。需要注意的是，传输信道里影响信号传输的不是衰减本身，而是信道的衰减随频率变化，这也就是大家常说的“衰减差”。

因此随着信号的传输速率的提高和传输通道长度的增加，电路的发送端（Tx）发送的数据经过传输信道后衰减，以及码间干扰（ISI）的存在，使得接收端（Rx）没有能力采集到正确的信号。如果我们观察高速信号经过传输信道后到达接收端的眼图，发现眼图会非常模糊甚至闭合。这种对不同频率信号的衰减差会导致信道接收端接收到的信号严重失真以至于无法正确还原和解码信号，从而导致电路系统性能下降甚至无法正常工作。

图1 传输信道的低通效应导致接收端的眼图闭合

02 均衡技术---平衡“衰减差”的“魔术”

为了解决传输信道的低通效应，避免由于衰减差导致接收端产生误码。可以直接选用性能更好但是价格也更为昂贵的PCB板材和传输线缆，但这会毫无疑问地增加不菲的成本。

“又想马儿跑，又想马儿不吃草”。怎么办？既然问题的原因是在传输过程中高频分量相对低频分量受到更大的衰减，那就可以在沿用现有的PCB板材的情况下，采用某种信号处理技术来补偿信号的高频分量或衰减低频分量，如此就起到平衡经过传输信道的信号的高频和低频分量的目的。这就是均衡技术。

03 示波器的“还原使命”

随着高速数字信号技术的发展，作为数字电路最常用测试仪器的示波器不能只是简单地测试波形，还需要模拟被测电路所采用的均衡技术，告诉工程师当前电路所采用的均衡技术对高速信号失真的改善效果，“还原”最终的信号，进而判断电路的信号完整性是否满足电路系统的要求。

PART 2均衡技术的分类和特点

目前的高速数字电路采用的均衡技术，通常在电路系统的发送端（Tx）采用前馈均衡（Feed Forward Equalizer，简称FFE），而在接收端(Rx)采用连续时间线性均衡（Continuous Time Linear Equalizer，简称CTLE）和判决反馈均衡（Decision Feedback Equalizer，简称DFE）。

例如USB3.2 Gen1标准在发送端采用了FFE，在接收端采用了CTLE；而USB3.2 Gen2在发送端采用了FFE，并且在接收端采用了CTLE和DFE。

图2 均衡技术在电路系统中的应用：FFE，CTLE和DFE

01 前馈均衡（FFE）

我们已经知道，传输信道对信号的高频分量衰减更严重。因此，在系统的发送端或者接收端里有意地加强高频分量的能量或者衰减低频分量的，这样可以抵消传输信道引起的衰减差。

FFE的核心思想是通过线性滤波器对信号进行预处理或后处理，抵消信道对信号的频率选择性衰减。其数学模型通常基于有限冲击滤波器（Finite Impulse Response, FIR），由多级延迟单元和可调权重系数构成。在高速电路设计中，FFE常常用于发送端，实现对发送端信号的预加重（pre-emphasis）或去加重（de-emphasis）。

预加重，是指提前补偿信号将要损耗的高频分量，即将信号的跳变沿的电平抬高。去加重，则将信号跳变沿后的电平降低，这种机制旨在削弱信号的低频分量。下面即为去加重的效果图，橙色为发送端的原始信号（幅度在-1和1之间切换），绿色为去加重后的信号（跳变沿后的幅度小于1或大于-1），跳变沿后的电平明显变低。

图3 原始信号和使用均衡技术后的去加重信号

以USB3.2 Gen2为例，规范要求在发送端采用三阶FFE，输入信号依次通过2个延迟单元，FFE的每个抽头的输出乘以不同的权重系数（，和），然后相加就得到均衡后的输出。

图4 USB3.2 Gen2的发送端FFE示意图

左下图为USB3.2 Gen2要求的权重系数，右下图为均衡后的效果图（跳变沿信号的电平幅度大于跳变沿后信号的）。

图5 USB3.2 Gen2的发送端FFE的权重系数和均衡效果

对于高速数字信号，仅在发送端增加FFE是不够弥补传输信道的衰减差，因此通常还需要在接收端增加CTLE（有的还需要DFE）。

02 连续时间线性均衡（CTLE）

CTLE是传输信道的接收端经常用到的一种均衡方式，用来衰减传输信号的低频分量并放大高频分量。如下图，蓝色虚线是传输线路原本的频响曲线，随着频率的增大，对信号的衰减也随之增大。绿色虚线是CTLE自身的频响曲线，其会衰减低频分量，并会放大传输信号的有用频段内的高频分量。红色线表征的是二者叠加后的频响曲线，其低通特性获得明显改善。

图6 传输信道低通效应和CTLE改善效果示意图

CTLE本质是个滤波器，通过实现高通频率特性的方式来均衡信道的损耗，其传递函数如下公式所示，其特性由直流增益ADC，零点fzero和极点fpole,n共同决定。

图7 CTLE的传递函数

如下图为USB3.2 Gen1规范定义的Long Channel的CTLE的频响曲线。观察到，从直流开始，其增益为0.667，即衰减信号的低频分量；到了零点650MHz增益开始随频率增加而变大，即放大高频分量；然后到了第一个极点1.95GHz，增益维持不变；最后到了最后一个极点5GHz，增益随频率变小。

图8 USB3.2 Gen1 接收端采用的CTLE

03 判决反馈均衡（DFE）

DFE是一种在数字通信系统中广泛应用的信道均衡技术。DFE均衡器是一种非线性均衡器，它通过引入一个决策反馈环路，利用已经解调的数据来消除传输信道引起的信号失真。其基本原理是将接收到的信号与预测信号进行比较，然后根据比较结果调整均衡滤波器的参数，从而使两者的差异最小化。这种预测基于信号的特性和传输通道的特性，从而可以更准确地恢复信号。

下图为3阶DFE，输出的信号经过经过单位延迟后，乘以不同的权重系数（C0，C1和C2），再与输入信号相加，然后输出到达判决器，当信号幅度大于预设值，则判为逻辑高电平，否则为逻辑低电平。DFE的优点是在不放大噪声的情况下降低码间干扰，减少了每个信号的拖尾，使每1bit的信号响应都比较集中，进而增强了接收端信号的质量（见图9上方的DFE之后输出的波形）。

图9 3阶DFE架构图

04 均衡技术的应用及发展趋势

在高速电路设计中，均衡技术是解决信号完整性的重要手段，尤其在应对高频信号分量衰减，码间干扰（ISI）等问题中至关重要。实际应用中，工程师需要结合高速信号和传输信道的特点，选择合适的均衡器类型，并设定合适的参数（例如均衡器的权重系数），否则可能会适得其反。

AI技术现在飞速发展，已经应用到了均衡领域。工程师们利用神经网络（如LSTM）实时预测传输信道的变化，通过分析接收眼图的特征，动态调整均衡器的相关参数（如CTLE增益、DFE抽头数和权重系数等等），避免了人工干预，快速地适应系统的变化。

PART 3

罗德与施瓦茨的示波器的

均衡功能以及应用

数字信号的传输速率越来越快，因此高速电路系统越来越多地采用FFE，CTLE和DFE等均衡技术。而作为现代电子工程师的“眼睛”的示波器，需要具备同样的均衡能力，用来模拟被测信号经过电路系统中均衡器后的形状并叠成眼图，助力工程师评估其采用的均衡技术是否满足系统的要求。

01 罗德与施瓦茨的示波器的均衡功能

罗德与施瓦茨公司（简称R&S）的RTP和RTO等示波器的嵌入和均衡选件K126，具备在发送端模拟FFE（实现预加重或去加重），在接收端模拟CTLE和DFE，此外还能模拟通道的损耗（例如，嵌入芯片封装或PCB走线或长电缆的传输损耗）。

该选件的特点有：

人性化的设置，可以灵活定义传输信道上的均衡模块以及嵌入模块

可设置的均衡和嵌入模块的数量多达5个

任意定义TX-FFE（实现预加重和去加重）、CTLE、DFE 等均衡模块的级联

根据通用接口标准的预定义均衡系数（如FFE和DFE的阶数和权重系数，CTLE的阶数和零点/极点/增益等）

图9 R&S的均衡设置界面（左：R&S的灵活的均衡和去嵌设置界面 右：R&S接收端的均衡设置）

需要说明的是，R&S示波器的均衡模块，还可以自适应均衡系数。即无须工程师设定均衡器的相关参数，R&S示波器会根据原始波形和传输信道的特点，自己训练出一套合适的均衡系数，帮助工程师加速设计高速电路的均衡模块。

图10 R&S自适应均衡：根据波形和信道的特点，训练均衡模块，获得最佳参数

02 罗德与施瓦茨的示波器的均衡功能的应用

以R&S的RTP示波器测试USB3.2 Gen1信号为例。R&S的RTP示波器具有4通道，最高16GHz的带宽。如下图所示，RTP示波器通过18GHz的射频线缆，连接好USB3夹具和USB被测件。RTP测试USB被测件发出的CP0信号（5Gbps的PRBS信号），并叠加出眼图。

图11 RTP示波器测试USB设备的连接图

如图13的右上所示，在被测件的发送端（Tx）直接测试眼图，眼图完全张开，质量很好。利用RTP的嵌入功能，模拟USB信号的传输信道，由于信道的低通特性，对高频分量的衰减更大，导致眼图模糊，张开很小，已经碰到测试模板（图13右中）。此时需要在接收端加上CTLE均衡，抵消均衡传输信道引起的衰减差。

打开RTP的CTLE设置界面，根据USB3.2 Gen1的CTLE规范，设置直流增益为-3.52dB，一个零点为650MHz，两个极点分别为1.95GHz和5GHz。图12右下方即为CTLE的频响曲线，与USB3.2 Gen1的要求完全吻合。

图12 RTP示波器的CTLE设置界面（左：DC gain 右：零点，极点和CTLE的频响曲线）

经过传输线缆的信号，在CTLE的作用（衰减低频，放大高频）下，平衡了低频和高频的能量，抵消了传输线缆引起的衰减差，RTP“还原”出的眼图重新张开（图13右下）。

图13 RTP示波器测试USB设备的眼图（右上：发送端眼图；右中：经过传输线缆后的眼图；右下：CTLE均衡后的眼图）

总 结

均衡技术已经是现代电子产品设计的重要手段，为系统的信号完整性保驾护航。均衡技术也是现代示波器的核心武器，用以应对高速信号测试测量的挑战。R&S公司的RTP和RTO示波器可以模拟FFE，CTLE和DFE等均衡模块，最大的“还原”电路系统的最终信号，并且其强大的自适应均衡系数功能可以帮助工程师加速芯片和电路的均衡模块的设计。

未来，随着AI技术的发展，示波器的均衡功能将更加智能化，助力工程师完成高速数字信号的测试和调试。因此，均衡技术的原理与示波器应用技巧，无疑是数字时代电子工程师的必备技能。

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