【導讀】在現(xiàn)代通信技術中，每當在傳輸高速信號的時候，特別是射頻微波信號傳輸過程中，總是不可避免的遇到因為回波損耗和輻射損耗所造成的信號衰減。如何改善這一問題？技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu對傳輸線理論進行了科普。
在現(xiàn)代通信技術中，每當在傳輸高速信號的時候，特別是射頻微波信號傳輸過程中，總是不可避免的遇到因為回波損耗和輻射損耗所造成的信號衰減。如何改善這一問題？技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu對傳輸線理論進行了科普。
各種傳輸線路的優(yōu)劣分析
為了將電磁波束縛在一定橫截面內導通，防止信號向外部空間輻射，人們通常采用一種被稱為“金屬波導”的導行系統(tǒng)。
圖1 金屬波導的導行系統(tǒng)
金屬波導其實就是一個空心的金屬管，它的特點是對于高頻信號衰減少、傳輸效率高。但是波導的缺點是只能導通高頻信號，對于中、低頻信號無法傳輸。這和傳統(tǒng)的雙導線系統(tǒng)正好相反。
那么，是否有一種傳輸線，可以實現(xiàn)所有頻段全覆蓋呢？為了解決這個問題，科學家提出了新的解決方案——微帶傳輸和同軸傳輸技術，本文主要討論同軸傳輸技術。
圖2 同軸線傳輸線的導行系統(tǒng)
同軸線傳輸是由分離導體柱構成，可以傳播橫電磁波，從兩分離的導體柱結構和傳遞橫電磁波的角度來看，同軸線傳輸技術信號衰減相對較少，覆蓋頻段寬，理論上可以覆蓋全頻段，是傳輸信號的較優(yōu)選擇。
同軸線傳輸還有一個優(yōu)勢，高頻電磁波信號通過空間電場傳輸，主設備可以同時通過同軸線傳輸電能給從設備，這被稱之為PoC（Power-over-Coax）, PoC和PoE的工作原理類似。
圖3 同軸傳輸線供電原理框圖
信道均衡技術
信道碼間串擾
在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于多徑效應、信道帶限等因素，在接收端會形成碼元拖尾。拖尾部分與相鄰碼元疊加，形成碼間干擾，導致采樣信號畸變，判決錯誤。
圖4 碼間串擾引起信號丟失及采用信道均衡技術恢復碼元
為了提高衰落信道中的通信系統(tǒng)的傳輸性能，工程師們往往采取的一種抗衰落措施，來消除或減弱寬帶通信時的多徑時延帶來的碼間串擾（ISI）問題，這被稱為“信道均衡”。
傳輸線網(wǎng)絡模型
信道均衡是為了消除碼間干擾，它的核心思想是對信道或整個傳輸系統(tǒng)特性進行補償，通過補償網(wǎng)絡使傳輸線阻抗和負載阻抗相等。
圖5 傳輸線等效模型
在高速傳輸系統(tǒng)中，傳輸線會產(chǎn)生很多寄生參數(shù)，可以采用阻容器件來建立等效分段傳輸模型。
根據(jù)信號的傳輸模型，高速信號在經(jīng)過長傳輸線之后，輸出信號會產(chǎn)生畸變。如果不對信號作處理，信號將無法準確識別，形成碼間干擾串擾。
圖6傳輸線信號畸變引起碼間串擾
阻抗匹配的具體實現(xiàn)方法是，在傳輸線的基礎上，再添加一個傳遞函數(shù)，使整個傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)阻抗匹配，這被稱為“全通濾波”或者“均衡電路”。
均衡傳輸實現(xiàn)方法
為了消除碼間干擾，使電路達到均衡效果，一般采用兩種方法，一種是預加重、另一種是去加重。
預加重技術就是增強信號上升沿和下降沿處的幅度，其它地方幅度不變。而去加重是保持信號上升沿和下降沿處的幅度不變，其他地方信號減弱。
根據(jù)上述分段傳輸線傳輸模型，一般會在發(fā)送端做前饋均衡FFE（Feed Forward Equalizer），在接收端做判決反饋均衡DFE（Decision Feedback Equalizer）。
圖7 均衡傳輸技術建模
前饋均衡FFE是SerDes系統(tǒng)中最常用的均衡技術。通常SerDes的發(fā)送端會使用FFE技術對信號進行預均衡。FFE通過將延時的信號按不同的權重（w-1，w0，…，wn）相加。控制權重的大小調整均衡強度。
圖8 前饋均衡的預加重原理
判決反饋均衡DFE也是通過數(shù)字高頻濾波器實現(xiàn)的，與FFE不同的是，DFE是一種非線性均衡技術：判決后的信號為數(shù)字信號。因此，DFE可以只放大高頻信號，而不放大高頻噪聲。
圖9 判決反饋去加重原理
在DFE電路中，通常的做法，一般會在前級加上一個連續(xù)時間線性均衡CTLE（Continuous Time Linear Equalizer），CTLE的作用是作為高通濾波器和低通濾波器配合，實現(xiàn)信號的全通濾波。
圖10 同軸均衡傳輸技術理論可以覆蓋全頻段
Microchip基于CoaXpress一攬子解決方案
Microchip推出的一種基于CoaXpress的視頻傳輸方案就是基于均衡法的同軸傳輸。
EQCO125X40集成均衡器、CDR和電纜驅動。它可以實現(xiàn)在一根電纜或PCB跟蹤對上發(fā)送/接收信號，在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b編碼下行傳輸，以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b編碼的上行傳輸。在ADAS圖傳應用中，視頻信號通過同軸線進行無損耗傳輸給高算力的平臺做進一步處理，這種算法已經(jīng)被越來越多的客戶所接受。
圖11 Microchip基于CoaXpress技術的圖傳解決方案
這顆芯片搭載在基于Microchip PolarFire視頻平臺上，客戶可以利用Microchip提供的免費IP安裝包輕松完成產(chǎn)品開發(fā)，縮短開發(fā)流程，其授權代理商Excelpoint世健能提供相應的技術支持和指導，幫助客戶更高效地進行產(chǎn)品開發(fā)。
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