信道均衡 模电工程师的三大法宝：差分信号、时钟数据恢复、信道均衡，你都整明白了吗？

微分信号

差分传输是一种信号传输技术，不同于传统的一根信号线一根地线的方法。差分传输在两条线路上传输信号，信号幅度相等，相位相反。这两条线上传输的信号是差分信号。差分信号也称为差模信号，是相对于共模信号而言的。

我们用一种方法来比喻差分信号。差分信号就像两个人在跷跷板上。一个人被放上去，另一个人被放下——但他们的平均位置不变。继续跷跷板的类比，正值表示左边人比右边人高，负值表示右边人比左边人高。0表示两个人处于同一水平。应用于电时，这两种跷跷板由一对标有V+和V-的电线代表。

特征

严格来说，所有的电压信号都是差分的，因为一个电压只能相对于另一个电压。在某些系统中，“系统接地”被用作电压参考点。当“接地”用作电压测量参考时，这种信号规划称为单端。我们使用这个术语是因为信号是由单个导体上的电压表示的。另一方面，差分信号作用在两根导线上。信号值是两根导线之间的电压差。虽然不是很必要，但是这两个电压的平均值总是会一致的。

可以想象，同时施加到两个导体上的相等电压，即所谓的共模信号，对差分放大器系统没有影响，也就是说，尽管差分放大器的输入有效信号幅度只需要几毫伏，但它对高达几伏的共模信号却可以无关紧要。这个指标被称为差分放大器的共模抑制比，一般运算放大器可以达到90db以上，高精度运算放大器甚至可以达到120db。由于干扰信号一般以共模信号的形式存在，差分信号的应用大大提高了放大器系统的信噪比。

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优势

1.抗干扰能力强。干扰噪声通常以相同的值同时加载在两条信号线上，差值为0，即噪声对信号的逻辑意义没有影响。

2.能有效抑制电磁干扰。因为两根导线靠得很近，信号幅度相等，所以两根导线和地线之间耦合的电磁场幅度相等，信号极性相反，所以它们的电磁场会相互抵消。所以对外界的电磁干扰很小。

3.精准的定时定位。差分信号的接收端是两条线上信号幅度之差正负跳变的点，也是逻辑0/1跳变的点。但普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅度电压之比的影响较大，不适合低幅度信号。

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劣势

如果电路板的面积很小，单端信号只能有一条信号线，接地线通向地平面，而差分信号必须通向等长、等宽、近且在同一水平面上的两条线。当芯片的引脚间距很小，只能通过一条走线时，通常会出现这种情况。

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时钟数据恢复

时钟恢复作为高速串行通信的核心功能，得到了广泛的应用。时钟恢复模块有以太网、PCI-Express和极光三种。相比之下，传统的时钟和数据同时传输的并行传输模式无法达到1gb/s以上的带宽。

简单来说，所谓时钟恢复就是根据参考时钟从数据信号中提取时钟信号。相应地，通道上只传输串行数据，通道上没有时钟信号。数据接收端接收串行数据并恢复时钟。

在SERDES中，时钟数据恢复的基础

CDR协议通常运行在高数据速率和长传输距离下，这给设计带来了很大的挑战。

在SERDES应用中，顾名思义，CDR接收器必须从数据中恢复嵌入的时钟。更准确地说，时钟是从数据信号的交换中获得的。

CDR发射机首先串行传输数据，然后将数据转换为8b/10b编码方案。编码过程获得8位数据，并将其转换为10位符号。8b/10b编码可以在数据线上传输相等数量的0和1，从而减少符号间干扰，并为接收器提供足够的数据边沿来锁定接收数据流的相位。发射机将系统时钟与传输比特率相乘，并以此速率在发射差分对上传输8b/10b数据。

CDR接收机的任务是锁定RX差分比特流上的相位，然后根据恢复的时钟对齐数据位，然后将字与接收机的参考时钟对齐。最后，数据由8b/10b解码以供系统使用。

在CDR系统中，发送和接收系统通常具有完全独立的系统时钟。这两个时钟在一个特定的范围内是至关重要的，这个范围大约是几百PPM。

CDR电路和抖动

CDR接口的主要设计挑战是抖动，即实际数据传输位置与期望位置的偏差。总抖动由确定性抖动和随机抖动组成。大多数抖动是确定性的，其成分包括符号间干扰、串扰、占空比空失真和周期性抖动。通常随机抖动是半导体发热问题的副产品，很难预测。

传输参考时钟、传输锁相环、串行器和高速输出缓冲器都会影响传输抖动。对于给定的位周期或数据眼，传输抖动通常表示为单位间隔或UI的百分比。例如，2 UI的传输抖动意味着抖动由比特周期的20%组成。对于传输抖动，UI值越低越好，因为它们代表的抖动越少。

同样，CDR接收器将指定在给定比特率下可以容忍的最大抖动量。典型的误码率标准是1e-12。接收抖动仍由UI指定。较大的用户界面表示接收器可以容忍更多的抖动。典型的接收机规格是. 8 UI，这意味着80%的比特周期可以是噪声，接收机仍然能够可靠地接收数据。抖动通常用统计钟分布来量化，统计钟分布在其固定点有理想的边缘位置。

信道均衡

信道均衡是指在衰落信道中提高通信系统传输性能的抗衰落措施。主要是为了消除或降低宽带通信中多径延迟引起的符号间串扰。

其机制是补偿信道或整个传输系统的特性。根据信道的恒定或可变参数特性，数据速率不同，均衡的结构方式也多种多样。一般分为线性均衡和非线性均衡两类。线性均衡器和非线性均衡器的主要区别在于自适应均衡器的输出用于反馈控制的方法。频带信道很难均衡，通常在接收端解调后在基带进行均衡，因此基带均衡技术得到了广泛应用。

在实践中，通常添加自适应滤波器来实现信道均衡。使用滤波器来补偿失真脉冲，并且由判决器获得的解调输出样本是由均衡器校正的样本或者在符号间干扰被消除之后的样本。自适应均衡器根据一定的算法直接从传输的数字信号中调整增益，从而能够适应信道的随机变化，使均衡器始终处于最佳状态，具有更好的失真补偿性能。