淺談通訊系統中的等化器
文/蔡昀諺
我們為何需要等化器
在通訊系統中，數位訊號的清晰度是十分重要的但隨著資料傳輸量越來越大，電路越發複雜，常常一個簡單的指令卻需要多個邏輯電路的相互協作，為了防止各個電路之間不會因為不同接線方式導致不同程度的失真使得判讀電路各節點的訊號過於複雜，為了讓不同的電路可以同時接收到正確的訊號，這個時候往往就會採用序列器（Serializer）和解序列器（Deserializer）合稱SerDes的電路（圖1）。SerDes的目的是使大量資料能夠在點對點傳輸的同時減少平行資料匯流排的複雜度、成本、功耗及節省電路板的空間。常見的SerDes系統能夠分為發射器（Transmitter，TX），信道（Channel）和接收器（Receiver，RX）。對於接收器來說，任何不清晰的訊號都可能導致機器的誤判，然而所有的電子元件都不能理想的無損失傳輸訊號，訊號每經過一次發射器和接收器之間的通道也被稱之為信道都或多或少會產生改變，这些信道可能会引起訊號失真，例如時延扭曲、頻率響應不平坦以及震幅失真。这些失真会降低訊號质量並影響数据傳輸的可靠性。因此無論一開始產出的訊號多麼理想，最終都或多或少都會有一定的損失。為了防止接收器在接收有損訊號時產生誤判或者無法判斷，我們需要在發射和接收端都設計一個等化器（Equalizer），而等化器的作用是對訊號進行補償和修復減少訊號通過信道產生的損失。
訊號的損失都從何而來？
常見的有線傳輸中導線作為信道承擔傳輸訊號的路線，而在無線傳輸中，此時，空氣就是負責傳輸信號的信道。以常見的USB傳輸線為例子（圖2），傳輸線中會有數條金屬導線，通常有負責供電和負責訊號傳輸共計四條電線纏繞外面再包裹保護的金屬層和絕緣的PVC層。如果我們單看單條電線的話，當較高頻率電流通過金屬導線的時候會產生集膚效應（Skin Effect，圖3），也就是電流只會通過導線的較外層，而隨著電流頻率的增加，電流通過導線的截面積會更小，也就是會更集中於金屬導線的表層而造成訊號在越高頻率的地方損失會越大。而包裹金屬導線的絕緣材料則會成為內裏金屬導線和外層金屬的絕緣層產生電容，在傳輸訊號的時候，導線會受到交變電場的影響產生導電電流或使得絕緣層發熱從而造成有部分的訊號被消耗掉造成損失，這種損失我們稱之為介電損耗（Dielectric Loss）。
等化器簡介
等化器是一種數字訊號處理技術，旨在對受損的訊號进行修復。工程師通过基於真實信道的模擬訊號对接收器端接收到的仿真信號进行分析，並結合各種等化器來消除信道引起的失真。等化器的目標是盡可能地恢復原始訊號，使得接受端的訊號可以在操作頻率能够正确解讀傳輸的數據。在如今通訊系統，等化器被廣泛使用，例如無線通訊、光纖通訊等。等化器的存在可以讓更高頻率（更高的訊號傳輸速率）的訊號被接收器正確且可靠的解讀出來，減少因為通道不理想效應訊號失真產生的錯誤判讀。
不同的通道種類，通道長短對於訊號產生的失真效果往往並不盡然相同，所以等化器的設計和配置是一個相當複雜的事情，相關工程師需要將信道特性、信號特徵結合通訊系統配置組合不同類型的等化器來適應不同信道的環境。應對不同的失真，常見的等化器有前向均衡器（Feed Forward Equalizer，FFE），連續時間線形均衡器（Continuous Time Linear Equalizer，CTLE），判決反饋均衡器（Decision Feedback Equalizer，DFE）三種。
前向均衡器
前向均衡器（FFE）是一種線形的等化器，常常在發射器端使用，其原理根據已知的信道訊號來補償訊號減少信道的失真。前向均衡器常常會使用一系列的濾波器來補償訊號。通過對訊號的時延，可以將時延的訊號按照不同的權重相加。前向均衡器就是在不知道信道損失的前提下預先將訊號進行補償。FFE雖然看著理想，但是因為訊號收到輸出的電壓影響，無限制的補償會造成原始訊號的邏輯1和邏輯0的差距減下（振幅變小），所以FFE通常沒有辦法將訊號的失真完全消除。
在實際的通道通訊中，SerDes每一側都各有一組TX和RX以此做到雙向通訊的可能，在設定階段，RX側會先發送一段訊號給到TX，此時TX會先設定一組FFE的權重參數並將訊號發送給RX，RX端接收訊號後會判斷失真是否過於嚴重而無法判讀。如若是，RX會再次發送訊號給TX，此時TX就會更換另外一組權重並再次發送訊號。如果訊號的失真在容忍範圍，此時訊號接受端就會發送訊號告知訊號發射段通道穩定了，此時TX才會發射真正的訊號給RX。
連續時間線形均衡器
如果信道的損失是一個線形且在高頻遞增的衰減，連續時間線形均衡器（Continuous Time Linear Equalizer，CTLE）可以通過線形高通濾波器來補償信道的失真。因為信道通常在更高頻率的時候會受到相當強烈的介電損耗影響而衰竭，其行為類似低通濾波器，因此結合高通濾波器可以使其行程一個頻寬更高全通濾波器。
連續時間線形均衡器的意義在於使頻寬可以更寬，頻率響應可以更為平穩，為了達成目的有時候CTLE並沒有放大高頻訊號，是通過對低頻率信號的抑制來平穩頻寬的，因此在訊號經過CTLE後可能會有震幅變小的問題需要後一級的放大器去放大。但訊號在通過放大器的時候不只會讓訊號放大，還會放大噪音，使得訊號整體的清晰度下降。除了訊號的問題，CTLE通常體積較大，功耗也不低，但因為其能夠連續線形補償的特點，在如今SerDes還是常常被採用。
判決反饋均衡器
判决反饋均衡器（DFE）與FFE相似，利用將訊號時延將其通過不同權重調整後相加，由各個時延支路權重的大小來決定均衡的強度。但與FFE不同的地方在於DFE是由接收的訊號作為反饋的，因為此時的訊號已經通過數據分割器（Slicer），而Slicer的作用是通過和基準電壓的比較將較高的設為邏輯1升壓到相當水平，較低的則為邏輯0將被降呀到一定程度。所以經過分割器的訊號其實更容易判讀，噪音造成失真的影響也就進一步的減小。所以DFE可以在只放大高頻訊號不放大高頻噪聲。
總結
訊號在傳播中會收到不只本身還有其他訊號的影響，往往訊號到達接受端的時候都已經不夠清晰，難以判讀，如果不經過恰當的處理，這種訊號往往都是無效的，所以，等化器在通訊系統中扮演著保護信道接收端清晰可判讀的重要角色，其存在能夠提高信道較惡劣環境時訊號的可靠性。通過對等化器的設計，我們可以提高數據傳輸的速度實現更好的頻率響應並保證訊號傳輸時的質量。
參考資料
【视觉盛宴三】不好意思，这些线材接口的横截面真的没见过. 張巧龍. retrieved from: https://blog.csdn.net/best_xiaolong/article/details/90656379
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Lecture5_Equalizers. PENGJUI PENG. Nation Tsing Hua University.
DFE Operator （Taps）. NA. retrieved from : https://rfmw.em.keysight.com/DigitalPhotonics/flexdca/UG/Content/Topics/Signal-Processing/Signal-Processing-Operators/dfe.htm
作者簡介
蔡昀諺，YRG專題學生
