目前高速以太网如400G/800G中都采用了PAM的数字信号传输,取代了传统的NRZ的信号,好处是提高了每个symbol的传输的信息比特数量,但带来的问题是信噪比的损失,解调误码率升高。从下图可以看到,PAM4信号相对于PAM2的信号,眼图的眼高只有原先的1/3,这样SNR会损失9.5db。
为了保证传输的误码率要求,除了增加FEC纠错编码外,还需要在收发两端都采用均衡的技术对信号进行处理。
发送端的均衡:由于传输信道主要表现为低频衰减小和高频衰减较多的特点,因此发送端均衡主要采用预加重和去加重两种方式;预加重是对信号的高频分量预先放大,而去加重是对信号的低频分量预先减小。
接收端的均衡:主要在模拟信号采用放大高频增益的滤波器(CTLE/AGC),在数字信号处理上,采用FFE或DFE的滤波器,用于去除码间干扰(ISI)。
下面重点介绍下发送端去加重(TX-de emphasis)的基本原理:
目前发送端去加重均衡器一般采用3 TAP的抽头系数,可以看作成一个3抽头的FIR滤波器;
3个抽头系数一般要满足:
1)C-1+ C0+ C1= 1
2)C0-C-1-C1> 0
FIR的具体结构见下图:
C-1 被称为Pre-cursor,主要对应控制信号脉冲的上升沿;
C0 被称为main-cursor,主要控制信号的幅度
C1 被称为post-cursor,主要控制信号的下降沿;
去加重均衡器主要用于去除码间干扰ISI和保证高频增益。
否则发送信号经过信道后,从信号眼图可以看出眼图的眼都睁不开了。
从下图看出,如果滤波器的抽头系数C-1/C1 取值都为0,相当于没有进行均衡,那么信号经过信道后,输出的信号的眼图几乎睁不开了。
如果在发送端增加了去加重均衡FIR滤波器后,发送信号预先进行了变形,经过信道后的输出信号的眼图明显睁大了很多。
按照上图中的参数画出滤波器对应的step脉冲响应的时域波形如下图:
从下图可以看出,C-1其实对应的就是脉冲开始阶段的一个下冲的幅度;C0对应的是脉冲主体的幅度,c1对应的是脉冲下降阶段的下冲幅度;脉冲中间的幅度为0.5(=0.75-0.175-0.075),所以幅度相比原先的输入1,降低为一半,所以信噪比降低了6个dB;
所以图中脉冲的上升和下降沿比原先更陡峭了,高频分量得到加强,脉冲主体幅度降低,低频分量做了衰减,也就是去加重; 当然,系数的选择还需要结合考虑码间干扰ISI消除;
在高速光模块(400G/800G)中,可以通过CMIS接口,对光模块的电口(与主板之间的接口)输出信号进行均衡增益的设置,如下表格:
通过设置不同的抽头系数,抽头系数通常按照dB设置,其与C0C1C-1之间的关系计算公式如下图:
The pre-cursor equalizer settings in dB approximates to
1) Pre EQ (dB)=-20*log10( (1-C(-1)/(C(-1)+C(0)+C(1)))
The post-cursor equalizer settings in dB approximates to
2)Post EQ (dB)=-20*log10( 1-C(1)/(C(-1)+C(0)+C(1)))