在現代電子系統中，無論是手機、AI系統、智能汽車還是通信基站，高速數字信號的傳輸都扮演著核心角色。然而，隨著信號的傳輸速率不斷提升，工程師們面臨著一個共同的難題：即信號在傳輸過程中會因線路損耗、噪聲干擾等因素發生嚴重失真，導致信號完整性（Signal Integrity，簡稱SI）問題日益突出。因此，電子系統需要相應的信號處理技術解決SI問題。

而作為電子工程師“眼睛”的示波器，不僅需要準確地捕捉到電路中高速信號的真實面貌，還要能夠模擬電路系統中所應用的信號處理技術，“還原”出最終的信號，進而幫助工程師評估電路系統的信號完整性。

PART 1為什么需要均衡技術？

01 高速信號的“失真困境”

當數字信號速率達到數Gbps甚至更高時，由于趨膚效應和介質損耗的影響，整個傳輸信道（如PCB走線、過孔、連接器以及芯片封裝）呈現低通效應，即在高頻時呈現出比低頻更大的損耗（圖1所示）。需要注意的是，傳輸信道里影響信號傳輸的不是衰減本身，而是信道的衰減隨頻率變化，這也就是大家常說的“衰減差”。

因此隨著信號的傳輸速率的提高和傳輸通道長度的增加，電路的發送端（Tx）發送的數據經過傳輸信道后衰減，以及碼間干擾（ISI）的存在，使得接收端（Rx）沒有能力采集到正確的信號。如果我們觀察高速信號經過傳輸信道后到達接收端的眼圖，發現眼圖會非常模糊甚至閉合。這種對不同頻率信號的衰減差會導致信道接收端接收到的信號嚴重失真以至于無法正確還原和解碼信號，從而導致電路系統性能下降甚至無法正常工作。

圖1 傳輸信道的低通效應導致接收端的眼圖閉合

02 均衡技術---平衡“衰減差”的“魔術”

為了解決傳輸信道的低通效應，避免由于衰減差導致接收端產生誤碼。可以直接選用性能更好但是價格也更為昂貴的PCB板材和傳輸線纜，但這會毫無疑問地增加不菲的成本。

“又想馬兒跑，又想馬兒不吃草”。怎么辦？既然問題的原因是在傳輸過程中高頻分量相對低頻分量受到更大的衰減，那就可以在沿用現有的PCB板材的情況下，采用某種信號處理技術來補償信號的高頻分量或衰減低頻分量，如此就起到平衡經過傳輸信道的信號的高頻和低頻分量的目的。這就是均衡技術。

03 示波器的“還原使命”

隨著高速數字信號技術的發展，作為數字電路最常用測試儀器的示波器不能只是簡單地測試波形，還需要模擬被測電路所采用的均衡技術，告訴工程師當前電路所采用的均衡技術對高速信號失真的改善效果，“還原”最終的信號，進而判斷電路的信號完整性是否滿足電路系統的要求。

PART 2均衡技術的分類和特點

目前的高速數字電路采用的均衡技術，通常在電路系統的發送端（Tx）采用前饋均衡（Feed Forward Equalizer，簡稱FFE），而在接收端(Rx)采用連續時間線性均衡（Continuous Time Linear Equalizer，簡稱CTLE）和判決反饋均衡（Decision Feedback Equalizer，簡稱DFE）。

例如USB3.2 Gen1標準在發送端采用了FFE，在接收端采用了CTLE；而USB3.2 Gen2在發送端采用了FFE，并且在接收端采用了CTLE和DFE。

圖2 均衡技術在電路系統中的應用：FFE，CTLE和DFE

01 前饋均衡（FFE）

我們已經知道，傳輸信道對信號的高頻分量衰減更嚴重。因此，在系統的發送端或者接收端里有意地加強高頻分量的能量或者衰減低頻分量的，這樣可以抵消傳輸信道引起的衰減差。

FFE的核心思想是通過線性濾波器對信號進行預處理或后處理，抵消信道對信號的頻率選擇性衰減。其數學模型通常基于有限沖擊濾波器（Finite Impulse Response, FIR），由多級延遲單元和可調權重系數構成。在高速電路設計中，FFE常常用于發送端，實現對發送端信號的預加重（pre-emphasis）或去加重（de-emphasis）。

預加重，是指提前補償信號將要損耗的高頻分量，即將信號的跳變沿的電平抬高。去加重，則將信號跳變沿后的電平降低，這種機制旨在削弱信號的低頻分量。下面即為去加重的效果圖，橙色為發送端的原始信號（幅度在-1和1之間切換），綠色為去加重后的信號（跳變沿后的幅度小于1或大于-1），跳變沿后的電平明顯變低。

圖3 原始信號和使用均衡技術后的去加重信號

以USB3.2 Gen2為例，規范要求在發送端采用三階FFE，輸入信號依次通過2個延遲單元，FFE的每個抽頭的輸出乘以不同的權重系數（，和），然后相加就得到均衡后的輸出。

圖4 USB3.2 Gen2的發送端FFE示意圖

左下圖為USB3.2 Gen2要求的權重系數，右下圖為均衡后的效果圖（跳變沿信號的電平幅度大于跳變沿后信號的）。

圖5 USB3.2 Gen2的發送端FFE的權重系數和均衡效果

對于高速數字信號，僅在發送端增加FFE是不夠彌補傳輸信道的衰減差，因此通常還需要在接收端增加CTLE（有的還需要DFE）。

02 連續時間線性均衡（CTLE）

CTLE是傳輸信道的接收端經常用到的一種均衡方式，用來衰減傳輸信號的低頻分量并放大高頻分量。如下圖，藍色虛線是傳輸線路原本的頻響曲線，隨著頻率的增大，對信號的衰減也隨之增大。綠色虛線是CTLE自身的頻響曲線，其會衰減低頻分量，并會放大傳輸信號的有用頻段內的高頻分量。紅色線表征的是二者疊加后的頻響曲線，其低通特性獲得明顯改善。

圖6 傳輸信道低通效應和CTLE改善效果示意圖

CTLE本質是個濾波器，通過實現高通頻率特性的方式來均衡信道的損耗，其傳遞函數如下公式所示，其特性由直流增益ADC，零點fzero和極點fpole,n共同決定。

圖7 CTLE的傳遞函數

如下圖為USB3.2 Gen1規范定義的Long Channel的CTLE的頻響曲線。觀察到，從直流開始，其增益為0.667，即衰減信號的低頻分量；到了零點650MHz增益開始隨頻率增加而變大，即放大高頻分量；然后到了第一個極點1.95GHz，增益維持不變；最后到了最后一個極點5GHz，增益隨頻率變小。

圖8 USB3.2 Gen1 接收端采用的CTLE

03 判決反饋均衡（DFE）

DFE是一種在數字通信系統中廣泛應用的信道均衡技術。DFE均衡器是一種非線性均衡器，它通過引入一個決策反饋環路，利用已經解調的數據來消除傳輸信道引起的信號失真。其基本原理是將接收到的信號與預測信號進行比較，然后根據比較結果調整均衡濾波器的參數，從而使兩者的差異最小化。這種預測基于信號的特性和傳輸通道的特性，從而可以更準確地恢復信號。

下圖為3階DFE，輸出的信號經過經過單位延遲后，乘以不同的權重系數（C0，C1和C2），再與輸入信號相加，然后輸出到達判決器，當信號幅度大于預設值，則判為邏輯高電平，否則為邏輯低電平。DFE的優點是在不放大噪聲的情況下降低碼間干擾，減少了每個信號的拖尾，使每1bit的信號響應都比較集中，進而增強了接收端信號的質量（見圖9上方的DFE之后輸出的波形）。

圖9 3階DFE架構圖

04 均衡技術的應用及發展趨勢

在高速電路設計中，均衡技術是解決信號完整性的重要手段，尤其在應對高頻信號分量衰減，碼間干擾（ISI）等問題中至關重要。實際應用中，工程師需要結合高速信號和傳輸信道的特點，選擇合適的均衡器類型，并設定合適的參數（例如均衡器的權重系數），否則可能會適得其反。

AI技術現在飛速發展，已經應用到了均衡領域。工程師們利用神經網絡（如LSTM）實時預測傳輸信道的變化，通過分析接收眼圖的特征，動態調整均衡器的相關參數（如CTLE增益、DFE抽頭數和權重系數等等），避免了人工干預，快速地適應系統的變化。

PART 3

羅德與施瓦茨的示波器的

均衡功能以及應用

數字信號的傳輸速率越來越快，因此高速電路系統越來越多地采用FFE，CTLE和DFE等均衡技術。而作為現代電子工程師的“眼睛”的示波器，需要具備同樣的均衡能力，用來模擬被測信號經過電路系統中均衡器后的形狀并疊成眼圖，助力工程師評估其采用的均衡技術是否滿足系統的要求。

01 羅德與施瓦茨的示波器的均衡功能

羅德與施瓦茨公司（簡稱R&S）的RTP和RTO等示波器的嵌入和均衡選件K126，具備在發送端模擬FFE（實現預加重或去加重），在接收端模擬CTLE和DFE，此外還能模擬通道的損耗（例如，嵌入芯片封裝或PCB走線或長電纜的傳輸損耗）。

該選件的特點有：

人性化的設置，可以靈活定義傳輸信道上的均衡模塊以及嵌入模塊

可設置的均衡和嵌入模塊的數量多達5個

任意定義TX-FFE（實現預加重和去加重）、CTLE、DFE 等均衡模塊的級聯

根據通用接口標準的預定義均衡系數（如FFE和DFE的階數和權重系數，CTLE的階數和零點/極點/增益等）

圖9 R&S的均衡設置界面（左：R&S的靈活的均衡和去嵌設置界面 右：R&S接收端的均衡設置）

需要說明的是，R&S示波器的均衡模塊，還可以自適應均衡系數。即無須工程師設定均衡器的相關參數，R&S示波器會根據原始波形和傳輸信道的特點，自己訓練出一套合適的均衡系數，幫助工程師加速設計高速電路的均衡模塊。

圖10 R&S自適應均衡：根據波形和信道的特點，訓練均衡模塊，獲得最佳參數

02 羅德與施瓦茨的示波器的均衡功能的應用

以R&S的RTP示波器測試USB3.2 Gen1信號為例。R&S的RTP示波器具有4通道，最高16GHz的帶寬。如下圖所示，RTP示波器通過18GHz的射頻線纜，連接好USB3夾具和USB被測件。RTP測試USB被測件發出的CP0信號（5Gbps的PRBS信號），并疊加出眼圖。

圖11 RTP示波器測試USB設備的連接圖

如圖13的右上所示，在被測件的發送端（Tx）直接測試眼圖，眼圖完全張開，質量很好。利用RTP的嵌入功能，模擬USB信號的傳輸信道，由于信道的低通特性，對高頻分量的衰減更大，導致眼圖模糊，張開很小，已經碰到測試模板（圖13右中）。此時需要在接收端加上CTLE均衡，抵消均衡傳輸信道引起的衰減差。

打開RTP的CTLE設置界面，根據USB3.2 Gen1的CTLE規范，設置直流增益為-3.52dB，一個零點為650MHz，兩個極點分別為1.95GHz和5GHz。圖12右下方即為CTLE的頻響曲線，與USB3.2 Gen1的要求完全吻合。

圖12 RTP示波器的CTLE設置界面（左：DC gain 右：零點，極點和CTLE的頻響曲線）

經過傳輸線纜的信號，在CTLE的作用（衰減低頻，放大高頻）下，平衡了低頻和高頻的能量，抵消了傳輸線纜引起的衰減差，RTP“還原”出的眼圖重新張開（圖13右下）。

圖13 RTP示波器測試USB設備的眼圖（右上：發送端眼圖；右中：經過傳輸線纜后的眼圖；右下：CTLE均衡后的眼圖）

總 結

均衡技術已經是現代電子產品設計的重要手段，為系統的信號完整性保駕護航。均衡技術也是現代示波器的核心武器，用以應對高速信號測試測量的挑戰。R&S公司的RTP和RTO示波器可以模擬FFE，CTLE和DFE等均衡模塊，最大的“還原”電路系統的最終信號，并且其強大的自適應均衡系數功能可以幫助工程師加速芯片和電路的均衡模塊的設計。

未來，隨著AI技術的發展，示波器的均衡功能將更加智能化，助力工程師完成高速數字信號的測試和調試。因此，均衡技術的原理與示波器應用技巧，無疑是數字時代電子工程師的必備技能。

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