高速SerDes擴(kuò)展距離中均衡技術(shù)的演進(jìn)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
# b$ Y' g: T$ R* i; |隨著數(shù)據(jù)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，高性能計(jì)算（HPC）在高速以太網(wǎng)領(lǐng)域正在快速發(fā)展。這種增長(zhǎng)加劇了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)芯片（SoC）設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，包括交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口卡、重定時(shí)器和可插拔模塊。帶寬密集型應(yīng)用正在從400G向800G，最終向1.6T以太網(wǎng)過(guò)渡。就SerDes數(shù)據(jù)速率而言，這種演進(jìn)意味著每通道從56G到112G再到224G的飛躍[1]。

在56G SerDes出現(xiàn)之前，非歸零（NRZ）信號(hào)是主導(dǎo)的信號(hào)形式。NRZ使用編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為一系列高低電平，中間沒(méi)有返回零電平。NRZ信號(hào)通常使用模擬線路，因?yàn)榫哂械脱舆t，非常適合高速應(yīng)用。
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3 w4 ~6 S; H$ _' w4 x  N然而，隨著數(shù)據(jù)速率持續(xù)上升，對(duì)更先進(jìn)的信號(hào)處理能力的需求也隨之增加。從56G到112G再到224G的SerDes設(shè)計(jì)中，數(shù)字線路開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）線路使先進(jìn)的信號(hào)處理成為可能，如均衡、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）以及自適應(yīng)均衡，這些技術(shù)在確保高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫姘l(fā)揮了關(guān)鍵作用。此外，對(duì)更低功耗和更小尺寸的追求導(dǎo)致數(shù)字SerDes線路被廣泛采用，因?yàn)檫@些線路消耗更少的功率，可以使用更小的晶體管實(shí)現(xiàn)，有利于高密度集成。
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1 o/ M, u$ c2 O: q% E$ Q四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）已經(jīng)成為高速通信系統(tǒng)首選的信號(hào)方法，因?yàn)槊總�(gè)符號(hào)可以傳輸更多數(shù)據(jù)，并具有更高的能量效率。然而，PAM4信號(hào)需要更復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)減輕信號(hào)退化和噪聲的影響，確保在接收端可靠地恢復(fù)傳輸?shù)男盘?hào)。


. E9 R7 U% b, D, i5 s/ `3 M# d3 g圖1：112G及以上PAM4 DSP。說(shuō)明了高速SerDes的PAM4 DSP系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。

均衡技術(shù)
9 E3 ?, s; \4 y7 w/ o均衡在PAM4 SerDes DSP線路中發(fā)揮著重要作用。均衡線路補(bǔ)償由信道損傷如衰減、色散和串?dāng)_造成的信號(hào)退化�？梢圆捎脦追N方法實(shí)現(xiàn)PAM4均衡：

前饋均衡（FFE）：這種技術(shù)通過(guò)放大或衰減信號(hào)的特定頻率分量來(lái)補(bǔ)償信號(hào)退化。FFE使用線性濾波器實(shí)現(xiàn)，該濾波器放大或衰減信號(hào)的高頻分量。FFE線路使用均衡器抽頭來(lái)調(diào)整濾波器系數(shù)。抽頭數(shù)量決定了濾波器的復(fù)雜性及其補(bǔ)償信道損傷的能力。雖然FFE可以有效地補(bǔ)償衰減、色散和串?dāng)_，但在減輕符號(hào)間干擾（ISI）方面效果不佳。

判決反饋均衡（DFE）：這種更先進(jìn)的均衡形式補(bǔ)償由ISI引起的信號(hào)退化，ISI是指前一個(gè)符號(hào)的信號(hào)能量干擾當(dāng)前符號(hào)而導(dǎo)致的失真現(xiàn)象。DFE通過(guò)從接收到的信號(hào)中減去估計(jì)的信號(hào)來(lái)消除ISI。DFE線路使用前饋和反饋抽頭來(lái)估計(jì)和消除ISI。反饋抽頭補(bǔ)償前一個(gè)符號(hào)造成的失真，而前饋抽頭補(bǔ)償當(dāng)前符號(hào)造成的失真。雖然DFE在減輕ISI方面很有效，但需要更復(fù)雜的線路。

自適應(yīng)均衡：這種技術(shù)根據(jù)信道的特性自動(dòng)調(diào)整均衡系數(shù)。自適應(yīng)均衡使用自適應(yīng)算法來(lái)估計(jì)信道特性并更新均衡系數(shù)，以優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量。自適應(yīng)均衡線路使用訓(xùn)練序列來(lái)估計(jì)信道響應(yīng)并調(diào)整均衡器系數(shù)。這種方法使線路能夠適應(yīng)變化的信道條件，在減輕各種信道損傷方面非常有效。
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時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）
時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）是PAM4 SerDes DSP線路的另一個(gè)關(guān)鍵功能。CDR線路從輸入數(shù)據(jù)流中提取時(shí)鐘信號(hào)，以在接收端同步數(shù)據(jù)。在PAM4中，由于信號(hào)轉(zhuǎn)換次數(shù)增加，時(shí)鐘提取過(guò)程變得更具挑戰(zhàn)性，使得難以區(qū)分時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。PAM4 CDR可以使用兩種主要技術(shù)：

鎖相環(huán)（PLL）：這種技術(shù)將振蕩器頻率鎖定到輸入信號(hào)的頻率。PLL測(cè)量輸入信號(hào)和振蕩器之間的相位差，并調(diào)整振蕩器頻率以匹配輸入信號(hào)的頻率。PLL線路使用壓控振蕩器（VCO）和相位頻率檢測(cè)器（PFD）來(lái)生成時(shí)鐘信號(hào)。在PAM4 SerDes中，基于PLL的CDR是更常見(jiàn)的選擇，因?yàn)榕c基于DLL的CDR相比，具有更好的噪聲魯棒性和抖動(dòng)性能。

延遲鎖定環(huán)（DLL）：這種技術(shù)測(cè)量輸入信號(hào)和參考信號(hào)之間的時(shí)間差，并調(diào)整輸入信號(hào)的相位以與參考信號(hào)對(duì)齊。DLL線路使用延遲線和相位檢測(cè)器（PD）來(lái)生成時(shí)鐘信號(hào)�；�于DLL的CDR在PAM4 SerDes中較少使用，因?yàn)閷?duì)噪聲更敏感，抖動(dòng)性能也比基于PLL的CDR差。
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2 K9 T/ K; F6 C* ?% y% W先進(jìn)的DSP技術(shù)
. @3 S" n( N8 @6 t3 D  W; |, d1 S$ _隨著數(shù)據(jù)速率持續(xù)增加，需要更先進(jìn)的DSP技術(shù)來(lái)維持?jǐn)U展距離上的信號(hào)完整性。最大似然序列檢測(cè)（MLSD）就是這樣一種技術(shù)。
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1 ~) t. p) L# `+ TMLSD是一種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，利用統(tǒng)計(jì)模型和概率理論從接收到的信號(hào)中估計(jì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列。通過(guò)生成所有可能的數(shù)據(jù)序列并將其與接收到的信號(hào)進(jìn)行比較，找出最可能的傳輸序列。MLSD算法使用信號(hào)和信道的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)計(jì)算每個(gè)可能數(shù)據(jù)序列的似然度，選擇似然度最高的序列作為估計(jì)的傳輸數(shù)據(jù)序列。
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# v: t' ]8 N; V+ W/ |6 K- _圖2：MLSD的需求：40+ dB IL信道庫(kù)由224G SerDes均衡。此圖展示了MLSD在均衡224G SerDes高損耗信道中的重要性。

雖然MLSD計(jì)算密集且需要大量處理能力和內(nèi)存，但在具有高噪聲、干擾和色散的信道中，可以顯著提高信號(hào)質(zhì)量和傳輸性能。

MLSD有幾種變體，包括：
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Viterbi算法：這種流行的MLSD算法使用格狀圖生成所有可能的數(shù)據(jù)序列并找出最可能的序列。在具有中等噪聲和ISI的信道中，可以提供出色的性能，但在嚴(yán)重的信道條件下可能會(huì)遭受錯(cuò)誤傳播。

判決反饋序列估計(jì)（DFSE）：這種MLSD算法使用判決輸出的反饋來(lái)提高序列估計(jì)的準(zhǔn)確性。DFSE在具有高ISI和串?dāng)_的信道中可以提供比Viterbi算法更好的性能，但需要更復(fù)雜的線路和更高的處理能力。

軟輸出MLSD：這種變體提供傳輸數(shù)據(jù)序列的概率估計(jì)。當(dāng)與前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)（如低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC））結(jié)合使用時(shí)，可以顯著提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)性能。
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3 y- R9 I0 Z5 Q3 i0 g/ A前向糾錯(cuò)技術(shù)
% o- g  u% o, w7 d& q. |除了DSP方法外，前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)在傳輸信號(hào)中添加冗余數(shù)據(jù)，以在接收端檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。FEC是提高信號(hào)質(zhì)量和確保可靠傳輸?shù)挠行Ъ夹g(shù)。PAM4 SerDes中常用的兩種FEC技術(shù)是：

Reed-Solomon（RS）：這種塊碼FEC技術(shù)在傳輸信號(hào)中添加冗余數(shù)據(jù)以檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。由于其簡(jiǎn)單性、效率和強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，RS在PAM4 SerDes中被廣泛使用。

低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）：這種更先進(jìn)的FEC技術(shù)使用稀疏奇偶校驗(yàn)矩陣。LDPC可以提供出色的糾錯(cuò)性能，特別是與軟輸出MLSD結(jié)合使用時(shí)。
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4 m" {# ~& K2 U, A" E& z224G SerDes的未來(lái)
隨著行業(yè)向224G SerDes發(fā)展，IEEE 802.3df工作組和光互聯(lián)論壇（OIF）聯(lián)盟都在關(guān)注224G接口的定義。為了實(shí)現(xiàn)224G，PAM4的模擬前端帶寬增加了2倍，或PAM6增加了1.5倍。這種進(jìn)步需要具有更高精度和更低噪聲的ADC。由于更高的奈奎斯特頻率導(dǎo)致額外的損耗，需要更強(qiáng)的均衡，F(xiàn)FE和DFE中需要更多的抽頭。

MLSD先進(jìn)DSP將在224G時(shí)為信號(hào)質(zhì)量和傳輸性能提供顯著改進(jìn)。包括Viterbi算法、DFSE和軟輸出MLSD在內(nèi)的MLSD算法可用于提高序列估計(jì)的準(zhǔn)確性，并減輕噪聲、干擾和色散等信道損傷。然而，由于MLSD算法需要大量的處理能力和內(nèi)存，在選擇先進(jìn)DSP時(shí)需要仔細(xì)考慮，以在C2M和有線主機(jī)應(yīng)用中在性能、功耗和延遲之間取得平衡。

% N5 Q' D: [* P  e& C4 x結(jié)論
- P8 L; j( K5 @6 G高速SerDes中均衡技術(shù)的演進(jìn)是由對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求和克服信道損傷的需要驅(qū)動(dòng)的。從簡(jiǎn)單的NRZ信號(hào)到具有復(fù)雜DSP技術(shù)的先進(jìn)PAM4，該領(lǐng)域已經(jīng)取得了進(jìn)展。隨著向224G SerDes及更高速度發(fā)展，先進(jìn)均衡、CDR、MLSD和FEC技術(shù)的集成將在確保擴(kuò)展距離上的可靠高速數(shù)據(jù)傳輸方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
" G8 v+ a" [  R$ O# |2 b: ?6 j% {
! h0 E5 z" v. k2 E; L7 T參考文獻(xiàn)
[1] M. Sanyal, "Evolution Of Equalization Techniques In High-Speed SerDes For Extended Reaches," Semiconductor Engineering, Jul. 20, 2023. [Online]. Available: https://semiengineering.com/evolution-of-equalization-techniques-in-high-speed-serdes-for-extended-reaches/
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