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理解 Stratix IV GX 器件的预加重和
线性均衡功能
应用笔记
AN-602-1.0
背板上传输的高速信号会受到高频损耗，特别是趋肤效应以及电介质损耗的影响。这
些损耗能够严重地降低并衰减信号的高频成分，使得接收器难以正确地识别信号。
Stratix® IV GX 器件支持预加重和线性均衡功能，从而可以解决这一问题，并对高速
信号的质量加以改善。
本应用笔记提供了关于 Stratix IV GX 器件的发射器预加重以及接收器均衡行为的信
息。指定的实例演示了如何通过这两个功能在时域，频域或者两个域上来改善受影响
的信号。
Stratix IV GX 器件的发射器预加重
接收器的理想信号应该在一个单位间隔内完成跳变。然而，当信号在一个有损背板上
传输时，跳变会影响到相邻单位间隔。这种效应被称为码间干扰 (ISI)。预加重的作用
是在信号上应用延迟和反转，并通过适当的权重将该信号修正回原始信号，从而对来
自附近数据符号的 “ 影响 ” 或者码间干扰进行补偿。图 1 显示了延时逆权重补偿的
一个实例。
图 1. 预加重 ISI 补偿
Original Signal
Weighted Delay Inverse of Original Signal
Compensated Signal
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Stratix IV GX 器件的发射器预加重
2
依据通道特征，一个简单的延迟，反转和权重过程可能还不足以实现您的目标补偿。
例如，图 1 中显示的补偿只减少主级 ( 主脉冲 ) 之后的扩展，而不能减少主级之前的
扩展。缩小和反转当前主级之前的信号可以解决当前级前的 ISI 问题。
为了达到最佳通道损耗补偿，您可以在一个预加重设置中结合不同的延迟，权重，以
及极性。因此，一个真正的预加重实现操作起来通常像使用不同 “ 抽头 ” 的有限脉
冲响应 (FIR) 滤波器，这些 “ 抽头 ” 是指不同单元延迟后的信号。
在频域中，预加重提升了数据流中每一个跳变上的高频能量。
Stratix IV GX 器件的预加重功能
一个 Stratix IV GX 发射器包含四个可编程驱动器。一个是主驱动器 VOD, 可以通过预
加重或者未通过预加重来控制基振幅。其它三个是预加重抽头：预抽头 , 第一后抽头
和第二后抽头。另外，极性设置也可用于预抽头和第二后抽头。多个可编程预加载抽
头以及极性的灵活性能够处理具有不同通道特征的大量背板。图 2 显示了一个含有 VOD
和三个预加重抽头的 Stratix IV GX 预加重数字滤波器。
图 2. 预加重数字滤波器
Pre-tap
Z +1
+/-
VOD
1st Post-tap
Z –1
2nd Post-tap
Z –2
+/-
Pre-emphasis Digital Filter
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图 3 显示了差分预加重信号是如何通过第一后抽头生成的。原始正向信号 Vp(T) 与单
位延时正向信号 Vp(T-1) 之间作了比较。假设预加重权重是 x (0<x<1), Vp(T) 信号与
加权 x*Vp(T-1) 信号之间的差分是加重信号 ( 正向信号 )，同样也生成了加重信号的正
向。 预加重的差分信号是区别于正向信号以及反向信号的。
图 3. 预加重信号的生成
0
1
1
1
0
0
0
Vp(T)
Original Signal
Positive-Leg
0
0
1
1
1
0
0
Vp(T–1)
Unit-Delayed Signal
Positive-Leg
0
0
x
x
x
0
0
x*Vp(T–1)
Weighted Tap Signal
Positive-Leg
0
1
1 -x
1 -x
-x
0
0
1
0
0
0
1
1
1
Vn(T)
Original Signal
Negative-Leg
1 -x
-x
0
0
1
1 -x
1 -x
Vn(T) – x*Vn(T–1)
Pre-emphasized Signal
Negative-Leg
x-1
1+x
1 -x
1 -x
-1 -x
x-1
x-1
Vp(T) – x*Vp(T–1) – Vn(T) + x*Vn(T–1)
Vp(T) – x*Vp(T–1) Pre-emphasized Signal
Positive-Leg
Pre-emphasized Signal
Differential
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4
每一个预加重抽头的效应
下面的分析展示了具有理想仿真波形的每一个抽头的效应，使用 long 1s 和 long 0s
的码型来实现。图 4 显示了采用 long 1s 和 long 0s 的采样数据码型。1010 高频码型
在这一研究中是不适合的，这是因为连续位上的预加重效应在这一码型下是不可见的。
伪随机二进制序列 (PRBS) 也是不适合的，因为随机跳变会结合不同抽头的效应，并且
将这些效应复杂化。
图 4. 采用 long 1s 和 long 0s 的采样数据码型
仿真在 Stratix IV GX HSSI Verilog-A 缓冲模型上以 5 Gbps 数据速率运行，该缓冲
模型没有封装，采用 VOD=8 mA 和一个 100- Ω 内部匹配电阻。下面的仿真波形在差分缓
冲输出端被探测到。绿色波形代表没有预加重的信号，而紫色波形代表有预加重的信
号。另外，第二后抽头和预抽头的棕色波形代表具有预加重以及不同极性的信号。
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第一后抽头通常是最有效的抽头，跳变后立即加重位周期并且去加重剩余数据位
( 图 5)。由于当结合第一后抽头和 VOD 时出现的非线性饱和效应，对大于 VOD 的信号
进行加重没有像对低于 VOD 的信号进行去加重那样显著。
图 5. 第一后抽头的效应
a) Ideal 1st post-tap effect (assuming VOD=1 and x is the tap weight)
(V) : t(s)
1tap ON
1tap OFF
b) Stratix IV GX 1st post-tap simulation
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第二后抽头在跳变后去加重前两个数据位并且加重剩余的数据位。第二后抽头上的不
同极性以相反的方式加重以及去加重数据位 ( 图 6)。
图 6. 第二后抽头的效应
a) Ideal 2nd post-tap effect (assuming VOD=1 and x is the tap weight)
(V) : t(s)
No Pre-tap
2nd tap = 7
2nd tap = -7
b) Stratix IV GX 2nd post-tap simulation
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预抽头去加重跳变前的数据位并且加重剩余的数据位。预抽头上不同的极性以相反的
方式加重以及预加重数据位 ( 图 7)。在接收器中具有 DFE 功能的系统中，预抽头是很
重要的。由于 DFE 仅能解决后指针 ISI 问题 , 因此 Stratix IV GX 器件中的预抽头能
够减少前指针 ISI 效应。
图 7. 预抽头的效应
a) 理想的预抽头效应 ( 假设 VOD=1， x 是抽头权重 )
(V) : t(s)
Pre-tap = -7
No Pre-tap
Pre-tap = 7
b) Stratix IV GX 预抽头仿真
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图 8 显示了有损通道后未使用预加重 ( 左图所示 ) 以及使用某些预加重抽头 （右图所
示）的 PRBS-7 码型的眼图。两个眼图之间显著的区别展示了预加重是如何通过有损通
道来改善信号完整性的。
图 8. 未使用抽头和使用抽头的数据码型的眼图 ( 注释 1)
图 8 注释 :
(1) 通过比较这两种情况的标记读数，可以看到眼宽从 61.7 ps 增长到 98.72 ps 左右 , 产生了一个 37 ps 或者 60% 的增益。类似地，
眼高从 108.9 mV 增长到 178.9 mV 左右 , 产生了一个 70 mV 或者 64.3% 的增益。
预加重变化的数量
预加重往往是通过从预加重抽头获得的百分比来进行量化的。您可以根据加重信号
(V1) 和去加重信号 (V2) 来计算百分比，如公式 1 所示。
公式 1.
% Voltage change = [ ( V 1 – V 2 ) ⁄ V 2 ] × 100
dB increase = 20 log ( V 1 ⁄ V 2 )
假设将 VOD 设为 V，预加重抽头权重为 x。已加重信号振幅为 V1=V+x，去加重信号振幅
为 V2=V-x。替换公式 1 中的 V1 和 V2 ，从而导出公式 2。
公式 2.
% Voltage change = [ 2x ⁄ ( V – x ) ] × 100
dB increase = 20 log [ ( V + x ) ⁄ ( V – x ) ]
公式 2 显示了预加重抽头设置以及 VOD 设置如何影响预加重获得的百分比：
■
预加重抽头越大，百分比变化就越大
■
VOD 越大 , 百分比变化就越小
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图 9 显示了通过不同的 VOD 和第一个后抽头设置而获得的百分比变化的一个实例。最
上面的波形中：VOD = 6 mA，tap1 = 21，量化的百分比为 165%。中间的波形中：将
VOD 增加到 8 mA，使用相同的 tap1 设置，百分比降到 80.3%。 最下面的波形中：使用
与中间波形相同的 VOD，但是将 tap1 设置减少到 14，百分比降到 45.7%。
图 9. 使用 VOD 和预加重抽头设置的百分比变化率
(V) : t(s)
VOD = 6 mA, tap1 = 21
(V) : t(s)
VOD = 8 mA, tap1 = 21
(V) : t(s)
VOD = 8 mA, tap1 = 14
Altera 的发射器实现了预加重以及去加重功能，增加了高频分量并且降低了低频分
量。加重的总数是预加重与去加重之间的差分。这一实现的优势在于： 与传统的预加
重相比，消耗更少的功率，同时又能达到相同数量的加重。
预加重的限制
预加重增加了信号边沿速率，从而增大了邻近通道上的串扰。同时，由于预加重对跳
变位进行加重并且对剩余的数据位进行去加重，因此如果通道上出现任何的不连续性，
那么不连续性上的反射与没有预加重时相比，会更加的复杂。由于预加重对串扰和通
道不连续性产生的影响在很大程度上是根据情况而定的，因此需要仿真来确保将影响
降到最小。
另外，预加重选择也是接收器上信号完整性的关键。过度加重往往会降低接收信号的
质量，而不是帮助提高质量。Stratix IV GX 器件提供了多个工具包，用于确定或者仿
真给定背板的最佳预加重设置。
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Stratix IV GX 接收器的线性均衡
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Stratix IV GX 接收器的线性均衡
接收器均衡是另一种信号调节功能，通过发射通道来减少高频损耗。均衡器作为带通
滤波器，能够增强频带内的成分，并且从外部衰减外部高频以及低频成分。图 10 显示
了均衡补偿通道损耗的一个实例。在 3.25 GHz 的通道损耗约为 –16.5 dB。均衡在
3.25 GHz 下提升了 14.9 dB 的增益 , 从而最终获得高达 1.6 dB 的增益。
图 10. 均衡补偿通道损耗
(dBV) : f(Hz)
Channel Loss
Gain after Channel and Equalization
Equalization Gain
Stratix IV GX 器件的可编程线性均衡
Stratix IV GX 接收器支持可编程共模电压 (RX Vcm), 均衡 ,DC 增益 , 以及片内匹配
(OCT) 设置 , 另外，也可能支持可选的自适应均衡器以及自适应散射补偿引擎 (ADCE)。
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Stratix IV GX 接收器的线性均衡
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图 11 显示了 Stratix IV GX 接收器输入缓冲器。
图 11. 接收器输入缓冲器
可编程线性均衡在 6.5 Gbps 数据速率下被优化。从 2.6 dB( 模式 0) 到 17.8 dB( 模式
15)，共有 16 个均衡模式，用于提升高频成分。图 12 显示了 Stratix IV GX 接收器提
供的不同均衡模式的均衡器增益曲线。
图 12. 线性均衡器增益曲线
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Stratix IV GX 接收器的线性均衡
12
Stratix IV GX 接收器中采用线性均衡的信号质量
图 13 显示了在有损通道上的均衡补偿的一个实例。四个均衡模式 — 模式 0, 模式 5,
模式 10 和模式 15— 应用到通道中的数据流。所有的眼图都是在均衡器输出端探测到
的差分信号。
■
模式 0 提供很少的高频提升。由于通道损耗，眼完全闭合。
■
模式 5 从高频提升中获得有限的眼开。
■
模式 10 提供更多的高频提升，眼以 400 mV 的眼高度阔张开。
■
模式 15 有最多的高频提升，但是眼图没有模式 10 那样干净。这一行为称为过度均
衡。
图 13. 均衡输出的眼图
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Stratix IV GX 接收器的线性均衡
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线性均衡器的频率相依性
线性均衡器是频率相依的。在最佳频率上的提升和在其它频率上的提升会有很大不同。
通过采用不同数据速率上的正弦输入来对均衡输出进行研究，从而会看到这一行为。
在图 14 中 , 一个 6.5 Gbps 正弦输入 ( 洋红色 ) 发送进均衡器。 均衡器输出 ( 绿色，
棕色，紫色和蓝色波形 ) 被放大至 550 mV。然而，在 650 Mbps 的正弦输入下
( 图 15)，即使在最高的均衡设置下，均衡也将只能放大 87 mV。关键是均衡器增益的
峰值频率，6.5 Gbps 的输入数据运行在峰值频率，而 650 Mbps 的输入仅运行在峰值频
率的 10%。如图 12 所示 , 输入数据频率离峰值频率越近，均衡器就会提供越多的均衡
增益。
图 14. 6.5 Gbps 正弦输入的接收均衡器响应
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Stratix IV GX 器件的预加重和线性均衡功能
总结
14
图 15. 650 Mbps 正弦输入的接收均衡器响应
线性均衡的限制
无论什么样的数据信号或者噪声，线性均衡都能够提升输入流的高频分量。如果通道
内的噪声在均衡的最佳频率范围内，噪声分量将被提高并且对数据流以及时钟数据恢
复 (CDR) 的正确采样产生负面影响。
与预加重类似，均衡选择也是均衡器输出的信号完整性的关键。过度均衡会降低信号
质量，而不是完善信号质量。Stratix IV GX 器件提供多个工具包来确定和仿真给定背
板的最优接收器均衡设置。
总结
本应用笔记介绍了预加重和线性均衡功能是如何对高频损耗进行补偿的。预加重通过
反转，移位以及缩小相邻的符号来提升位跳变。线性均衡器可以增大某些频率范围内
的增益。
Stratix IV GX 器件对可编程预加重和线性均衡功能提供了支持。Stratix IV GX 发射
器的预加重包含了具有可编程权重和极性的一个预抽头和两个后抽头。Stratix IV GX
接收器的线性均衡在 6.5 Gbps 数据速率下被优化，从 2.6 dB 到 17.8 dB，共有 16 个
不同的模式以支持高频提升。
Stratix IV GX 器件的预加重和线性均衡功能
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文档修订历史
15
通过预加重和线性均衡的一起使用可以对高频通道损耗进行补偿。另外，设置选择也
是预加重和线性均衡达到最佳补偿的关键。Stratix IV GX 器件提供了多个工具包来确
定和仿真最佳设置。
文档修订历史
表 1 列出了本应用笔记的修订历史。
表 1. 文档修订历史
日期
版本
2010 年 11 月
1.0
Altera 公司 2010 年 11 月
修订内容
首次发布。
Stratix IV GX 器件的预加重和线性均衡功能
16
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