【SI_加重技术】快速了解高速信号传输加重技术

目录

1. 高速信号传输概述

2. 高速信号传输加重技术

2.1. 趋肤效应

2.2. 预加重（Pre-emphasis）

2.3. 去加重（De-Emphasis）

3. N阶FIR滤波器

4. 预 / 去加重实现

5. FIR 抽头系数对信号眼图影响

1. 高速信号传输概述

所有的信号都遵循从驱动端，经由信道/夹具到达接收端的路径。由于信道的带宽是有限的，并且在传输路径中反射、串扰或其他噪声源的影响，接收端的信号质量会大大下降导致误码率极高，影响通信质量。

下图展示了一个典型的背板传输系统：发送端（Tx）→ FR-4 材质 PCB 背板（差分信号路径）→ 接收端。图中选取了三个关键测试点，对应上方三张眼图：

• Tx 发送端（0cm 处）：眼图清晰、眼高 / 眼宽都很大，信号边沿陡峭、噪声 / 串扰极小，是理想的信号形态。

• 传输 17 英寸（43cm）处：眼图开始 “张开度” 收窄，边沿模糊、轨迹增多，出现了明显的码间干扰（ISI）和抖动，信号质量下降。

• 传输 34 英寸（86cm）处：眼图几乎完全闭合，轨迹严重重叠，高低电平差异极小（图中红圈标注），接收端已很难可靠识别 0/1 数据，误码率会急剧上升。

因此我们需要在发送端或者接收端对信号质量进行补偿以减少信号失真对通信性能的影响。补偿技术主要分成加重和均衡两大类。

• 预/去加重是作用在发送端对信号进行预失真以应对信道影响；

• 均衡器是作用在接收端对信号失真进行补偿；

1. 经过信道的信号

2. 加重技术和均衡技术后的信号

2. 高速信号传输加重技术

由于信道的带宽是有限的以及传输线的趋肤效应，使得高频信号经过信道介质后衰减比低频信号大。因此加重技术用在发送端来弥补信号高频和低频部分的幅度不平衡。

加重技术包含预加重和去加重两种。

2.1. 趋肤效应

1. 定义：当交变电流（尤其是高频电流）通过导体时，电流并非均匀分布在整个横截面上，而是集中在导体表面的薄层内流动，导体中心区域的电流密度会急剧下降。频率越高，电流越 “贴边”，这种现象就是趋肤效应。

2. 趋肤效应影响：

（1）等效电阻激增，高频衰减加剧

• 趋肤效应会大幅减小导体的有效导电截面积，导致导体的 ** 交流电阻（AC Resistance）** 随频率升高而显著增大。
• 电阻增大 → 信号在传输过程中的焦耳损耗（I²R 损耗）增加；
• 高频分量的衰减远大于低频分量，直接造成你眼图中看到的信号边沿变缓、高频能量丢失。

（2） 与介质损耗共同 “摧毁” 眼图

• 在高速背板传输中，趋肤效应带来的导体损耗，和 FR-4 介质的介质损耗是两大高频衰减元凶：趋肤效应主导中高频段的损耗；
• 介质损耗随频率线性增长，在 GHz 以上频段占比越来越高； 两者叠加，最终导致信号频谱失衡，眼图逐渐闭合，就像你那张图里 34 英寸背板后的效果。

（3） 表面粗糙度的影响被放大

• 当趋肤深度（μm 级）小于铜箔表面的粗糙度（如常见压延铜的 Rz 为 2-4μm）时，电流需要沿着粗糙的铜面 “绕路” 流动，等效路径变长，损耗会进一步恶化。

2.2. 预加重（Pre-emphasis）

预加重（Pre-Emphasis）技术是在信号的每一个跳变时刻（包含高频部分）对信号的高频部分进行增强，从而弥补高频信号相对更大的衰减。

• 高频分量（信号的上升 / 下降沿）衰减远大于低频分量
• 接收端信号边沿变缓、码间干扰（ISI）加剧，眼图收缩甚至闭合

预加重的核心逻辑，就是在发送端主动增强信号的高频分量，提前抵消传输线的高频衰减，让接收端收到的信号频谱尽量 “平坦”，恢复出张开的眼图。

从频域看，它相当于一个高通滤波器，人为抬升信号的高频功率；

• 普通信号：稳态电平为标准幅度，跳变沿平滑过渡

• 预加重信号：跳变瞬间输出一个幅度更高的脉冲，持续 1 个 UI 后再回落至稳态电平

• 直观效果：信号边沿更陡峭，高频分量被 “放大”，对抗传输线的低通效应

从时域看，它会让信号的跳变沿（0→1/1→0）幅度高于稳态电平，形成一个 “过冲”。

• 原始信号频谱：高频分量功率随频率升高快速下降

• 预加重后频谱：高频分量功率被主动抬升，形成一个向上倾斜的频谱

• 传输后频谱：经过信道衰减，高低频分量功率趋于平衡，接收端得到接近理想的信号

2.3. 去加重（De-Emphasis）

去加重（De-Emphasis）技术降低信号跳变以外的低频部分幅度，同样能达到高低频部分幅度平衡的目的。

传输信道（PCB 背板、线缆、连接器）因趋肤效应、介质损耗，对信号 高频分量（上升 / 下降沿） 衰减远大于低频分量。

最终现象：信号边沿变钝、码间干扰 ISI 加重、眼图收缩闭合、误码率上升。

从频域看：

• 原始信号：低频能量高、高频能量低，经过信道后高频进一步衰减，频谱严重失衡；

• 去加重后：整体压低低频功率，高频功率相对占比被拉高；

• 经过损耗信道传输后：高低频能量重新平衡，还原接近理想信号；

从时域看：

• 信号跳变沿、稳态高低电平幅度一致，波形规整。

• 信号发生跳变（0↔1）瞬间：保持原有满幅度（高频分量不变）；

• 信号保持不变（长 0 / 长 1 稳态）：电平被主动压低（衰减低频分量）；

• 视觉效果：跳变沿幅值 > 稳态幅值，无明显正向过冲；

去加重是高速发送端主流补偿技术，和预加重目标一致：补偿信道频率选择性损耗，让接收端频谱趋于平坦。 区别于预加重 “抬升高频”，去加重思路是：压低低频稳态电平，相对提升跳变沿（高频）的占比。

3. N阶FIR滤波器

预/去加重电路数学特性可以由N阶FIR滤波器来表征。

N阶FIR滤波器差分方程：

• X（n）：输入信号；
• Y（n）：输出信号；
• h（k）：滤波器抽头系数，决定了预加重 / 去加重的强度与效果；

• Z⁻¹：单位延迟单元，每一级代表 1 个时钟周期的延迟（对应 1 个 UI），用于生成输入信号的不同历史副本；

• ×（乘法器）：将每个延迟后的信号与滤波器系数h(0), h(1), ..., h(n)相乘；

• +（加法器）：将所有加权后的信号相加，得到最终输出Y(n)；

高速串行发送端的加重技术，正是通过配置这组 FIR 滤波器的抽头系数实现的：

• 去加重：将当前比特的系数h(0)设为较高值，而前序比特的系数h(1), h(2)...设为负值，以此压低信号的稳态（低频）电平。

• 预加重：将跳变沿对应的系数设为较高值，稳态对应的系数设为较低值，以此抬升信号的高频分量。

通过调整抽头系数的数值，就可以实现不同强度的频率选择性补偿，从而对抗传输线的高频损耗。

4. 预 / 去加重实现

高速串行接口（如 PCIe、USB3）的发送端加重功能，本质就是通过配置 FIR 抽头系数实现的。

1. 阶数越高，补偿能力越强

• 更高阶的 FIR（更多抽头）可以更精细地拟合传输线的频率响应，补偿更复杂的码间干扰

• 例如：PCIe 4.0 的发送端 FIR 通常支持 3~5 阶配置，对应不同链路损耗的补偿档位

2. 阶数越高，实现成本越高

• 延迟单元、乘法器数量随阶数线性增加，带来更高的功耗和面积开销

• 对于低损耗、短距离链路，低阶 FIR（2~3 阶）即可满足需求

（1） 去加重FIR系数配置：

（2）预加重FIR系数配置：

5. FIR 抽头系数对信号眼图影响

传输线的高频衰减会导致信号频谱失衡，眼图闭合。通过调整 FIR 抽头系数：

• 去加重：压低低频分量，让高频分量在频谱中相对占比提升，抵消信道衰减

• 预加重：直接抬升高频分量，补偿信道的高频损耗 最终效果：接收端信号频谱趋于平坦，边沿恢复陡峭，眼图重新张开。

FIR滤波器通过对输入信号不同频率成分进行系数加权处理，可以改变高/低频幅度从而实现预/去加重。

1. 预加重处理的原始波形，可以看到信号上升沿（即高频部分）比低频部分幅值大；

2. 未经过信道的眼图；

3. 经过10英寸背板的信号眼图， 可以看到预加重抵消了信道的影响；