硬件测试(五):信号补偿

一、简介

高速信号的趋肤效应以及传输线的介质损耗,使信号在传输过程中衰减很大,导致最后得到的信号失真。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、去加重均衡三种信号补偿技术。

二、相关概念

  1. **趋肤效应:**是指导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流随着与导体表面的距离逐渐增加,导体内的电流密度呈指数递减,即导体内的电流会集中在导体的表面。从与电流方向垂直的横切面来看,导体的中心部分几乎没有电流流过,只在导体边缘的部分会有电流。

  2. 介质损耗: 指的是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(即部分信号的能量被PCB基板吸收)。


    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:

  3. **预加重 (Pre-emphasis):**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。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。

  4. **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。

    预加重和去加重技术也存在一些缺陷,比如当线路上存在串扰时,预加重和去加重会将高频串扰分量放大,增大串扰的危害。为了弥补预加重和去加重技术的缺陷,后来就出现了均衡技术。

  5. 均衡器: 均衡器通常是用滤波器实现,跟预加重和去加重不同,均衡技术在信号的接收端使用,它的特性相当于一个高通滤波器,其原理如下:

    下图是一个简单的高通滤波器:

    均衡作用可分为频域均衡(包括幅度均衡、相位或时延均衡)和时域均衡,前者是校正频率特性,后者是直接校正畸变波形;按调节方法还可分为固定均衡和可变均衡;可变均衡又可细分为手动均衡和自适应(自动)均衡。

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