[FPGA 实现及PCIe IP 核知识点]DFE-码间干扰的克星还是救星？

3年前发布

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作者： Tarzan
（本文介绍了DFE的基本概念和工作原理）

DFE是Decision Feedback Equalizer的缩写，为了了解DFE的工作原理，我们首先要稍微复习一下传输线（Transmission Line）。虽然DFE也可以被用在其他的传输领域。

我们假设两个芯片之间需要进行通信，芯片与芯片之间采用传输线进行连接，比较常见的传输线例如PCB（Printed Circuit Board）上的连接线。随着芯片接口速度的不断提升，通信变得越来越困难。例如本文写作的时候串行链路的data rate商用化的已经超过了32Gbps (NRZ*调制)。其中，比较关键的原因是担任传输任务的PCB信道带宽的限制。虽然近些年也有mid low loss和ultra low loss的PCB材料的出现，但性价比并没有跟上接口速率的步伐。如何在信道带宽较低的PCB材质上跑更高的速率一直都是大家关心的话题之一。

下面我们来看看典型的FR4（PCB的一种材质）的衰减vs频率的图示。

从图上可以直接得出以下结论：

固定长度的传输线的衰减会随着传输信号频率的增加而增加（负的越大代表衰减越大）

相同频率的时候，传输线的衰减随着长度的增加而增加（所以传输线越短衰减越少）

典型的传输线从理论分析，具备以下特征：

因传输线的电容特性，传输线可以近似于低通滤波，即信号中的高频分量衰减要更大，这和前面看到的结果一致。

因趋肤效应以及介质损耗，都与信号频率相关，且趋势与#1一致。

如果传输线上有连接器，过孔，或者是传输线截面形状不一致，那么会导致传输线阻抗不连续，不连续的地方都会导致信号发生反射，从而导致该频点衰减更大。所以在上面的图中可以看到衰减曲线突然跌落的情况。

下面作为芯片与芯片之间通过传输线进行传输，我们可以通过一个架构图来体现：

假设传输线信道是线性时不变系统（LTI*），即具备叠加属性和移不变属性。那么一个pulse（单位方波脉冲）的信号通过传输线后会产生如下变化：

图中可以看出，由于传输线特性的影响，原本的pulse在通过传输线后：边沿开始退化，即pulse的高频分量衰减比低频分量严重，请参考傅里叶变换相关内容理解。

因此，信号超越了它本身的边界，对前后bit都产生了影响。这种影响被取名叫码间干扰（Inter-Symbol Interference）。如果某个时刻T0时的信号，对其前面发送的bit产生影响的部分被称为Pre-cusor，对其后面发送的bit产生影响的部分被称为Post-cursor。如图所示。

下面我们看看当发送1011b这个Pattern的时候，实际上接收端真正的波形会有怎样的变化？

下面是仿真的PRBS码流通过传输线后的波形：

可以看出，由于传输线的影响，波形变化非常大，这将直接影响Receiver的接收质量。

由于某个时刻bit的幅值，会受到之前接收到bits的影响。于是有一种设计思路是收集某个时刻之前接收到的bit的信息，根据这些信息，计算出对当前接收bit的幅值影响，然后叠加上去。这样一来，当前时刻之前的bits对该bit的影响就降到了最低，一定程度上改善了ISI的影响。

下面我们按照刚刚的思路首先解决当前bit前一个bit对自己的影响，如图所示：

假设发送端发送了两个bit，第一个发送的是bit A，第二个发送的是bit B。我们如何求出bit A对bitB的幅值的影响？

我们可以将bit A延迟一个bit的时间T，然后反转极性。即如果bit A是逻辑1的话，我们应该将bit B的幅值降低一些，因为bit A的post cursor是正向的，所以我们要减去。如果bit A是逻辑0的时候则相反。需要注意的是如果发送端不是采用差分对，而是单端的情况，那么作为逻辑0对后面bit是没有影响的。我们这里假设采用的是差分对的情况。那么逻辑0和1的处理方式正好相反。

当得到了修正的方向，接下来则要计算修正的值了。此时我们可以通过调整某个系数来逼近这个值。在实际IC设计中，该值由接收端通过自适应的方法收敛得到，理论上表示bit A在通过了一个bit的时间T后，仍然残留在通道中的分量。这个值也被称为bit A的第一个tap分量。

如果我们把上面的设计放到真实的IC设计中去，大家可能会发现很多的问题。比较明显的问题是，bit A很有可能受到更早的bit的影响，从而导致其逻辑0和逻辑1的实际幅值不准确。因此，我们可以用一个slicer来规范其输出值，比较常见的做法可以对延迟后的信号进行采样，高于逻辑1判决的输出逻辑1对应的电平，低于逻辑1判决的输出逻辑0对应的电平。这样一来就有效的避免了因为前一个bit本身不准确而造成的影响。如下图所示：

接下来就水到渠成了，其实Delay T的时间还要提供Slicer的功能，一个D触发器就可以解决问题，如下图所示：

以后有机会介绍多tap的情况。