ביצוע אקווליזציה עם אוסצילוסקופים

Robert Lashlee & Brig Asay
Agilent Technologies

האפיקים הטוריים בעלי רוחב הפס הגבוה שקיימים בשוק ממשיכים לדחוק את חומרי הלוח המתאפיינים בהפסדים גבוהים עד קצה גבול היכולת. הדבר גורם לשגיאות מפענח בצד הרסיבר. דיאגרמות העין של “זמן האמת” כבר נסגרו, ולכן יש צורך בתכנון על בסיס חומרים יקרים יותר, או בשימוש בטכניקות שיאריכו את חייהם של החומרים הקיימים. לאור העלות של חומרים המתאפיינים בהפסדים פחותים, האפשרות האחרונה היא המועדפת. האקווליזציה היא אחת מטכניקות אלה ומאפשרת להאריך את מחזור חיי המוצר של FR4 ושל חומרים ותיקים יותר. השימוש באקווליזציה כרוך בתכנון שבבי אקוולייזר המשולבים ברסיברים. עם הטכניקות שעושות שימוש באקווליזציה נמנות SATA ו-SAS 6G, FibreChannel וכן PCIExpress דור 2. מובן, שכל מאמץ תכנוני נוסף, כולל התכנון של שבב האקלווייזר, משפיע על זמן הפיתוח של השבב החדש. בפני המהנדסים ניצב האתגר הכרוך בתכנון מדויק של שבבי אקוולייזר, בזמני תכנון מינימליים. מזעור המאמצים הוא אחד הגורמים לכך שהאוסצילוסקופים הפועלים בזמן אמת מתחילים לספק גם תוכנות אקווליזציה. האוסצילוסקופים מספקים עדכוני זמן אמת של שבבי האקלווייזר, ומעבר לכך, יכולים להשתמש בנתונים שלוקטו דרך זיכרון הלכידה שלהם לצורך תכנון החלק החשוב ביותר של שבב האקלווייזר המהווה ערך מוסף עבור המשתמש, וכך חוסכים מחזורי תכנון מרובים ומקצרים את זמן ההגעה לשוק של השבבים.
מבוא לאקווליזציה
אות טורי כולל את המשדר השולח אותות דרך ערוץ תמסורת (דוגמאות: לוח אחורי, כבל). ככל שקצב האותות גדל, כך הערוץ שדרכו עובר האות מעוות את האות בצד הרסיבר. הדבר עלול לגרום לדיאגרמת עין סגורה לגמרי או באופן חלקי, כאשר הרסיבר אינו יכול לחלץ את השעון/הנתונים. על מנת לאחזר שעון או נתונים מתוך דיאגרמת העין, יש לחזור ולפתוח אותה. בנקודה זו האקווליזציה יכולה לסייע.
בתרשים מס 1 ניתן לראות כי העין הפתוחה והנקייה עוזבת את המשדר ומשוגרת דרך הערוץ. בעת שהיא עוברת דרך הערוץ, גורמים כגון רעש אקראי, עירוב דיבור (crosstalk) והתאבכות (inter-symbol interference, ISI) מעוותים את האות וגורמים לעין להיסגר. בשלב זה נעשה שימוש באקווליזציה לצורך פתיחה מחדש של העין באמצעות תיקון ה-ISI.
תופעת ה-ISI נגרמת על-ידי היענות התדר הלא שטוחה של הערוץ (תדרים גבוהים מתאפיינים בהפסדים רבים יותר מאשר תדרים נמוכים) וגורמת בתורה לעיוות צורות הפולסים באות שלך. ניתן להשתמש באקווליזציה לצורך הסרת ה-ISI, משום שה-ISI נגרם על-ידי שילוב הגיאומטריה של המעגל (תכנון האות) ושל המדיום שממנו מורכב המעגל (המוליך או החומר הדיאלקטרי) –  כל אותם דברים שאותם ניתן לקבוע עוד לפני התמסורת.
כפי שניתן לראות, המטרה העיקרית של האקווליזציה היא תיקון בעיות שנגרמות על-ידי ערוץ התמסורת. טכניקות האקווליזציה מספקות דרך לזיהוי האות המקורי (האות שמגיע מן המשדר) על רקע האות המעוות שבצד הרסיבר. במילים אחרות, האקווליזציה מספקת תיקון עבור רמות המתח של רכיבי התדר הגבוה ובמסגרת תהליך זה מתקנת את נתיבי הרכיבים של רכיבים אלה בדיאגרמת העין התואמת (פתיחת העין).

Feed-Forward
Equalization (FFE)
Feed-Forward Equalization (FFE) היא טכניקת אקווליזציה אשר מתקנת את צורת הגל המתקבלת באמצעות מידע אודות צורת הגל עצמה ולא באמצעות מידע אודות ההחלטות הלוגיות שמתקבלות לגבי צורת הגל. בעיקרון, שיטת ה-FFE פועלת כמסנן FIR (finite impulse response) ומשתמשת ברמות המתח של צורת הגל המתקבלת, המשויכות לסיביות קודמת ועכשווית, לצורך תיקון רמת המתח של הסיביות הנוכחית. בעת השימוש ב-FFE, חשוב לזכור כי האקווליזציה מבוצעת על צורת הגל עצמה. בשום נקודה באלגוריתם ה-FFE לא מתקבלות החלטות לוגיות (האם סיביות זו היא 1 או 0?). במקום זאת, שיטת ה-FFE ממוקדת אך ורק בתיקון רמות המתח בצורת הגל.
למטרות דיון זה, נניח כי אלגוריתם ה-FFE שבו אתה משתמש כולל שלושה taps. ה-taps הם מקדמי תיקון unitless המוחלים על רמות המתח כדי לתקנן. ניתן להתייחס אל מקדמי תיקון אלה כאל היחס בין המתח שאותו היה הרסיבר אמור לראות לבין המתח שהוא אכן ראה.
התיאור המתמטי של FFE בעל שלושה taps הוא כדלקמן:
e(t) = c0r(t – (0TD)) + c1r(t – (1TD)) + c2r(t – (2TD))
כאשר:
•e(t) היא צורת הגל המתוקנת (או המקוזזת) של המתח בזמן t.
•TD הוא השהיית ה-tap.
•r(t-nTD)  היא צורת הגל הנכנסת הבלתי מתוקנת n  השהיות tap לפני הזמן הנוכחי.
•cn הוא מקדם התיקון (tap) המוכפל בגרסת צורת הגל הבלתי מתוקנת, אשר קודם בזמן ב-n השהיות tap.
לפיכך, ה-FFE משיגה את רמת המתח המתוקנת (או מקוזזת) במיקום הרצוי על צורת הגל (זמן t) באמצעות סיכום ה-taps ורמות המתח של שני מקומות מושהי ה-tap הקודמים, וכן של המיקום הרצוי לפני ביצוע האקווליזציה. לאחר תיקון רמת המתח של המיקום הרצוי, האלגוריתם מתקדם לפי קצב הדגימה לעבר המיקום הרצוי הבא וחוזר על התהליך. פעולה זו ממשיכה, עד לכיסוי צורת הגל במלואה.

Decision Feedback Equalization (DFE)
יש מספר דרכים שבהן ניתן ליישם את ה-DFE. סעיף זה עוסק באלגוריתם ה-DFE שבו נעשה שימוש עם האוסצילוסקופ מדגם Agilent Infiniium 90000A Series .
למטרות מאמר זה, נניח כי אלגוריתם ה-DFE שבו אתה משתמש כולל שני taps. בטרם נבחן את התיאור המתמטי של ה-DFE, חשוב להבין את תוצאות האלגוריתם. בדרך כלל, ה-DFE מחשב ערך תיקון אשר מתווסף לסף ההחלטה הלוגית (הסף שמעליו צורת הגל נחשבת כ”ערך לוגי גבוה” ואשר מתחתיו צורת הגל נתפסת כ”ערך לוגי נמוך”). לפיכך, ה-DFE מוביל לתזוזת הסף כלפי מעלה או כלפי מטה, כדי לאפשר קבלת החלטות לוגיות בנוגע לצורת הגל על בסיס רמת הסף המקוזזת החדשה.
התיאור המתמטי של ערך התיקון המתווסף לסף ההחלטה עבור DFE בעל שני taps הוא כדלקמן:
V(k) = c1s(k – 1) + c2(k – 2)
כאשר:
•V(k)  הוא מתח התיקון המתווסף לסף ההחלטה שבו נעשה שימוש בעת הגדרת הערך הלוגי של הסיביות k.
•s(k-n) הוא הערך הלוגי של סיביות הנתונים הממוקמת n סיביות לפני הסיביות k.
•cn הוא מקדם התיקון (tap) עבור הסיביות שנמצאת n סיביות לפני הסיביות הרלוונטית.
לכן, כדי ששיטת ה-DFE תשיג את קיזוז המתח המתוקן עבור רמת הסף בסיביות הרלוונטית, עליה לכלול תחילה את ערכי הסיביות הנכונים עבור הסיביות הראשונות. בהנחה כי ההחלטות הלוגיות עבור הסיביות הראשונות אכן נכונות, האלגוריתם יכול להזינן הלאה כדי לקבוע את הערך הלוגי עבור הסיביות הנוכחית. במקרה של DFE שבו שני taps, רמות הסיביות של שתי הסיביות הקודמות לסיביות הנוכחית צריכות להיות קבועות מראש. לאחר מכן, האלגוריתם מכפיל את רמות הסיביות בערכי ה-tap התואמים. סכומם של שני המוצרים כפולי ה-tap/של רמת הסיביות מספק את שיעור ההיסט של סף ההחלטות. אלגוריתמי DFE רבים מסיטים את סף המתח בשיעור זה, אולם האוסצילוסקופ מדגם Agilent Infiniium 90000A Series  עושה את הפעולה ההפוכה. במקום להסיט את סף המתח, הוא שומר על סף קבוע ומסיט את רמת המתח התואמת בשיעור זהה, אם כי בכיוון ההפוך.
כעת, האלגוריתם מתקדם אינדקס אחד, אל הסיביות הרלוונטית הבאה. תהליך זה חוזר על עצמו, עד לכיסוי האות כולו.

FFE לעומת DFE
ה-FFE הוא אלגוריתם האקווליזציה הנפוץ ביותר שבו נעשה שימוש באפיקים הטוריים הקיימים בשוק. כפי שהוסבר לעיל, ה-FFE מתקן את רמות המתח רק באמצעות הסרת ה-ISI, כך ששבבי האקוולייזר נוטים שלא להיות מורכבים כל כך ודורשים פחות שערים מאשר שבב אשר מתוכנן באמצעות DFE. בדרך כלל, אלגוריתם ה-FFE הזול יותר והקל יותר ליישום מתאים לרוב המתכננים.
כעת קח בחשבון תכנון שבו הערוץ הוא בעל פוטנציאל לשינוי בין שבב לשבב. בדרך כלל, ה-DFE משמש לפתיחת עיניים כאשר מדובר באותות ששיעור ה-ISI הקיים בהם גדול מדי עבור ה-FFE. כיוון שה-DFE משתמש בסיביות הנוכחית כחלק מהגדרת ערך ה-tap שלו, הוא יכול לפתוח עיניים סגורות בצורה דינאמית.
תוכנות האוסצילוסקופים שנמצאות בשימוש כיום יכולות לשמש למידול ה-DFE וה-FFE כאחד, במטרה לזהות איזה אלגוריתם מתאים ביותר לצורכי המתכננים. לדוגמה, תוכנת Infiniium Serial Data Equalization Software (N5461A) של Agilent תומכת במידול של שני האלגוריתמים במסך יחיד, כדי לאפשר למשתמשים לבחור מהו האקוולייזר הרצוי ליישום. למרות שה-DFE וה-FFE הן טכניקות אקווליזציה שונות, מקובל בהחלט להשתמש בשתיהן בצד הרסיבר.

סיכום
האוסצילוסקופים הקיימים בשוק מספקים תוכנות אקווליזציה אשר מאפשרות  מידול מלא של טכניקות ה-DFE וה-FFE. השימוש באוסצילוסקופ אשר מסוגל לבצע מידול מהיר של טכניקות האקווליזציה חוסך מחזורי תכנון ומקצר את משך הפיתוח של השבבים, וכך מסייע להגדלת ההכנסות. ייתכן שהיתרון הגדול ביותר של השימוש באוסצילוסקופ לצורך מידול האקווליזציה טמון ברעיון כי האוסצילוסקופ משתמש באות הממשי לצורך מידול האקווליזציה. בנוסף למידול האות המדויק, האוסצילוסקופים אף מספקים עדכונים בזמן אמת של משתני האקווליזציה המתקדמים ביותר. השימוש בתוכנות האוסצילוסקופים הקיימות בשוק מאפשר לשנות במהירות את ערכי ה-tap (מקדמי תיקון), כדי לבחון כיצד ערכי tap שונים משפיעים על העין. חשוב לציין כי האקווליזציה מסירה את ה-ISI מערוץ שמתאפיין בהפסדים, אולם אינה יכולה להסיר רעשים כלשהם שקיימים במערכת. כתוצאה מכך, בנוסף לרכישת אוסצילוסקופ שמסוגל למדל אקווליזציה, על המתכננים לשקול גם את רכישתם של אוסצילוסקופים בעלי רצפת רעש נמוכה במיוחד, כדי למנוע את הגברת רעש האוסצילוסקופ ואת ההשפעה המיותרת על האות המקוזז. האקווליזציה הופכת למרכיב חשוב יותר ויותר של התכנונים הדיגיטליים גבוהי המהירות הקיימים כיום, וזאת בעת שהמתכננים מוסיפים לדחוק את גבולות החומרים עד קצה גבול היכולת, במטרה להאיץ את מהירויות האפיק.