JP2018110363A - 等化装置、等化方法及び信号伝送装置 - Google Patents

等化装置、等化方法及び信号伝送装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ビットエラーレートの劣化を抑制する等化装置、等化方法及び信号伝送装置を提供する。【解決手段】線形等化器は、通信媒体の等化前の周波数特性における低周波帯に零点を有する低周波零点回路８１０と、通信媒体の等化前の周波数特性における高周波帯に零点を有する高周波零点回路８０８と、低周波帯と高周波帯との間に存在し通信媒体の等化前の周波数特性における波形の傾きが変化する中間周波帯に零点を有する中間波零点回路８０９とを有し、等化後の周波数特性における波形の傾きの変化量を抑制するように通信媒体を伝送してきた信号を等化する。【選択図】図８

Description

本発明は、等化装置、等化方法及び信号伝送装置に関する。
近年の通信の高速化により、金属線ケーブル等の通信媒体の伝送損失は増加している。通常、通信媒体を伝送してきた信号は、波形等化機能を有する線形等化器に入力される。金属線ケーブル等の通信媒体は、低周波では表皮効果による導体の損失が支配的なのに対し、高周波では誘電損が支配的となる。特許文献1には、この低周波の損失を補償する低周波等化器と高周波の損失を補償する高周波等化器とを備えたシステムが記載されている。
特開２０１４−０５０１０４号公報
ところで、線形等化器はナイキスト周波数（データレートの半分の周波数）以上の帯域まで帯域を広げる必要がある。この際、高周波側を等化するために高周波等化器の高周波ゲインを上げると、特許文献1のように低周波等化器を追加したとしても、通信媒体の周波数特性における傾きが変化する周波数付近（中間周波数）で等化不足になりやすい。このため、等化後の周波数特性における傾きが一定にならずビットエラーレートを劣化させてしまう。
本発明の目的は、ビットエラーレートの劣化を抑制することにある。
本発明の一態様は、信号を伝送する通信媒体を伝送してきた信号が入力される等化装置であって、前記通信媒体の等化前の周波数特性における低周波帯に零点を有する低周波零点回路と、前記通信媒体の等化前の周波数特性における高周波帯に零点を有する高周波零点回路と、前記低周波帯と前記高周波帯との間に存在し、前記通信媒体の等化前の周波数特性における波形の傾きが変化する中間周波帯に零点を有する中間波零点回路と、を少なくとも有し、等化後の周波数特性における波形の傾きの変化量を抑制するように前記通信媒体を伝送してきた信号を等化することを特徴とする。
本発明の一態様は、信号を伝送する通信媒体を伝送してきた信号が入力される等化装置であって、前記通信媒体の等化前の周波数特性における低周波帯の損失を補償する低周波等化器と、前記通信媒体の等化前の周波数特性における高周波帯の損失を補償する高周波等化器と、前記低周波帯と前記高周波帯との間に存在し、前記通信媒体の等化前の周波数特性における波形の傾きが変化する中間周波帯の損失を補償する中間波等化器と、を少なくとも有し、等化後の周波数特性における波形の傾きの変化量を抑制するように前記通信媒体を伝送してきた信号を等化することを特徴とする。
本発明の一態様に係る信号伝送装置は、信号を伝送する通信媒体と、前記態様の等化装置と、を有することを特徴とする。
本発明の一態様は、通信媒体を伝送してきた信号を等化する等化方法であって、前記通信媒体の等化前の周波数特性における低周波帯の損失を補償し、前記通信媒体の等化前の周波数特性における高周波帯の損失を補償し、前記低周波帯と前記高周波帯との間に存在し、前記通信媒体の等化前の周波数特性における波形の傾きが変化する中間周波帯の損失を補償し、等化後の周波数特性における波形の傾きの変化量を抑制することを特徴とする。
本発明によれば、ビットエラーレートの劣化を抑制することができる。
通信媒体を介して通信を行う電気信号伝送装置を示す図である。 通信媒体を介して通信を行う際にコネクタ内に等化器を搭載した電気信号伝送装置を示す図である。 金属導体の通信媒体における損失の周波数特性を示す図である。 電気信号伝送装置内に用いられる伝送用送受信機を示す図である。 金属導体の通信媒体における低周波と高周波の損失のみを等化器により補償した際の伝達特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る線形等化器の伝達特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る線形等化器により金属導体の通信媒体の損失を補償した際の伝達特性を示す図である。 実施例１に係る等化器を示す図である。 実施例１に係る等化器に用いられる零点生成回路を示す図である。 実施例２に係る等化装置の構成を示す図である。 実施例２に係る等化装置の等化器に用いられる零点生成回路を示す図である。 実施例２に係る等化装置の等化器に用いられる他の零点生成回路を示す図である。 実施例３に係る等化装置の構成を示す図である。 従来の等化器における信号伝送結果１４０１と、本発明の実施形態に係る等化器における信号伝送結果１４０２を示す図である。
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態は、長距離の通信媒体を介して通信する際に生じる周波数に対する損失の傾きの変化量を抑制する。通信媒体は、例えば、低周波では表皮効果による導体の損失が支配的あり、高周波では誘電損が支配的となる特性を有する金属導体が用いられる。このような金属導体を用いた通信媒体では、周波数に対する損失の傾きが1GHz近辺で変わる。このため、低周波と高周波の損失を補償するだけでなく、この傾きが変わる周波数付近（中間周波数帯）からの損失も補償することにより、周波数特性の非連続点を生じにくくすることができる。
つまり、３点以上の周波数ピークを有し波形等化機能を有する等化器を用いることにより、低周波と高周波の損失だけでなく、低周波と高周波の間の中間周波数帯の損失も補償できる。この結果、線形等化器で等化した後の周波数に対する損失の傾きにおける変化量を抑えることができる。このように、線形等化器による等化後の周波数特性における傾きをできるだけ一定にすることにより、ビットエラーレートの劣化を抑制する。
上述のように、通信媒体で生じる周波数特性（伝達特性）の傾きが、ある周波数で変化するので、通信媒体を伝送してきた信号を線形等化器で等化すると、等化不足または過等化が生じてビットエラーレートの劣化を招く。そこで、通信媒体の伝達特性の傾きが変化する周波数付近（中間周波数帯）に零点を持つ線形等化器を追加し、傾きの変化の影響を和らげることにより、線形等化器全体で等化後の伝達特性の傾きが一定に近くなるように補償する。
図1を参照すると、基板１０１には、波形等化機能を有する通信用ASIC１０６が搭載されている。また、基板１０２には、波形等化機能を有する通信用ASIC１０７が搭載されている。通信用ASIC１０６と通信用ASIC１０７は、通信媒体１０３とそのコネクタ１０４、１０５を介して通信を行う。通信媒体１０３は、例えば、金属製の同軸ケーブル又は基板上の線路等の金属導体を用いた通信媒体である。
図２を参照すると、コネクタ１０４、１０５内に等化器を有するLSI２０１、LSI２０２がそれぞれ搭載されている。このように、等化器の一部又は全部の機能を別の半導体に組み込んで、コネクタ１０４、コネクタ１０５に搭載することも可能である。例えば、線形等化器のみをLSI２０１、LSI２０２に搭載してもよい。
図３は、図１や図２内で用いられる通信媒体１０３の伝達特性（周波数特性）の例である。図３に示すように、1GHz付近で傾きに変化があり、この影響により線形等化器で不足等化や過等化が起きる原因となる。このために、ジッタの劣化が生じ、ビットエラー率が高くなる。ここで、ジッタとは、図１４に示す隣接するアイ開口（白い部分）の間に存在する黒い部分のことである。また、アイ開口とは、データを取り込む際のマージンのことである。
図４を参照すると、図１及び図２に示すASIC１０６やASIC１０７は、受信機４０１、信号処理部４０２、送信機４０３で構成される。このような構成の下、入力信号４０９を受信機４０１で等化し、受信機出力データ４１１を信号処理部４０２でデータ処理した後、信号処理部出力データ４１４が送信機４０３に入力される。送信機４０３は等化した出力信号４１６を出力する。受信機４０１は、線形等化器４０４、DFE（Decision Feedback Equalizer）４０５、CDR（Clock and Data Recovery）４０６で構成される。
線形等化器４０４は、受信機入力４０９を等化し、DFE４０５は線形等化器出力４１０をCDR４０６からの受信機クロック４１２のタイミングで等化し、受信機出力データ４１１を出力する。DFE４０５にはADC（Analog to Digital Converter）が含まれる場合もある。CDR４０６は、受信機出力データ４１１を受け取り、クロックのタイミングを調整した受信機クロック４１２と送信機クロック４１３を生成する。送信機４０３はマルチプレクサ４０７とFFE（Feed Forward Equalizer）４０８で構成される。信号処理部４０２からの信号処理部出力データ４１４は、送信機クロック４１３のタイミングに合わせてマルチプレクサ４０７によりシリアル化される。そして、マルチプレクサ４０７は、送信信号シリアルデータ４１５を出力する。FFE４０８は送信信号シリアルデータ４１５を等化して送信機出力４１６を出力する。
図５は、通信媒体の等化前の伝達特性と、線形等化器によりその通信媒体の低周波と高周波の損失を補償した等化後の伝達特性を示す。図５に示すように、通信媒体における伝達特性の傾きが変化する周波数近辺で不足等化となっている。この特性はジッタ増加の一因となっており、対応策としてはDFEのタップ数を増やすことである。しかし、DFEは離散等化器であるため、離散処理により残るノイズ成分があることや、多タップにすることで面積や消費電力を増やしてしまうといった欠点が存在する。そのため、できるだけ線形等化器により通信媒体の損失を補償してやった方がよく、線形等化器の等化後の伝達特性はできるだけ傾きが一定に近いほどジッタが減少する。
図６は高周波等化器の伝達特性６０１と低周波等化器の伝達特性６０２とに加えて、通信媒体の伝達特性の傾きが変わる周波数（中間周波数）に零点を配置した中周波等化器の伝達特性６０３を示している。また、高周波等化器の伝達特性６０１、低周波等化器の伝達特性６０２及び中周波等化器の伝達特性６０３を合成した合成伝達特性６０４も示している。
図７は、図６に示す合成伝達特性６０４を用いて通信媒体１０３を等化した結果を示している。図５と異なり、通信媒体１０３の等化後の伝達特性の傾きがほぼ一定となっていることが分かる。このように、通信媒体１０３の伝達特性の傾きが変わる中間周波数に零点を配置した等化器を追加することにより、DFEのタップ数を増やすことなく、等化後伝達特性の傾きを一定にすることができ、ジッタが改善する。
図１４は、従来の等化器での信号伝送結果１４０１と、等化後伝達特性の傾きを一定にする等化器での信号伝送結果１４０２を示す。図１４に示すように、EYE開口が、等化後の伝達特性の傾きを一定にすることにより広がっていることが分かる。
図８を参照して、上記実施形態を実現するための線形等化器について説明する。図８ではバイポーラトランジスタを用いた完全差動増幅器の線形等化器を示しており、MOS（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを用いた回路でも同様である。
図８の完全増幅回路は、負荷抵抗８０１、８０２、カスコードトランジスタ８０３、８０４、増幅用トランジスタ８０５、８０６、ディジェネレーション抵抗８０７、高周波零点回路８０８、中周波零点回路８０９、低周波零点回路８１０、電流源８１１、８１２で構成される。ここで、負荷抵抗８０１、８０２はインダクタを含む負荷にしてもよい。高周波零点回路８０８、中周波零点回路８０９、低周波零点回路８１０はトランジスタ８０５のエミッタ８１７とトランジスタ８０６のエミッタ８１８の間に配置する。
図７で説明したように、中周波零点回路８０９は、零点を通信媒体の伝達特性の傾きが変わる周波数（中間周波数）に配置している。低周波零点回路８１０は中間周波数より低い周波数でピークを持たせるよう零点を設定する。一方、高周波零点回路８０８は、中間周波数より高い周波数でピークを持つような零点を設定する。
線形等価器はトランジスタ８０５、８０６に差動入力８１３、８１４が入力され、３つの零点によるピークを３つ持ち入力を増幅して波形等化をした出力８１５、８１６を出力する。図８では３つの零点を持つ例を示しているが、３つ以上零点を持ってもよい。その場合、中周波零点回路８０９の作る零点と高周波零点回路８０８の作る零点との間に零点を配置してやればよい。
図８の回路は全ての零点を一つの回路で実現する例であり、消費電力を下げられるという利点がある。また、面積も小さくでき、コスト低減に寄与する。
図９に零点回路８０８、８０９、８１０の１例を示す。零点回路８０８、８０９、８１０は、エミッタ８１７とエミッタ８１８の間に抵抗９０１、スイッチ９０２、容量９０３を直列接続したセル９０４を複数個並べた回路となっている。セル９０５、９０６など全てのセルは同じサイズの抵抗９０１、スイッチ９０２、容量９０３を含んでいる。抵抗９０１と容量９０３のサイズは必要な零点の周波数とゲインで決まる。
図１０を参照して、上記実施形態を実現するための実施例２の等化装置について説明する。
図１０に示すように、この等化装置は、高周波等化器１００１、中周波等化器１００２、低周波等化器１００３が並列に配置され、それぞれに同じ差動入力１００６、１００７が接続され、出力負荷１００４、１００５がそれぞれ共通の出力１００８、１００９に接続している。高周波等化器１００１、中周波等化器１００２、低周波等化器１００３からは電流が出力され、出力負荷１００４、１００５で足し合わされる。実施例２は、消費電力や面積の点では第１の実施例に劣るが、高周波等化器１００１、中周波等化器１００２、低周波等化器１００３の零点がお互いに影響しないため、等化量を切り替える場合に有利である。
図１１に、高周波等化器１００１、中周波等化器１００２、低周波等化器１００３の構成を示す。図８とほぼ同じで、カスコードトランジスタ１１０１、１１０２、増幅用トランジスタ１１０３、１１０４、ディジェネレーション抵抗１１０５、零点回路１１０６、電流源１１０７、１１０８で構成される。カスコードトランジスタ１１０１、１１０２にはバイアス電圧源１１１１から電圧供給され、入力差動信号１００６、１００７はトランジスタ１１０３、１１０４で電流に変換され、カスコードトランジスタ１１０１、１１０２を通り、出力１１０９、１１０８に出力される。零点回路１１０６はトランジスタ１１０３のエミッタ１１０９とトランジスタ１１０４のエミッタ１１１０に接続される。
零点回路１１０６は図９で示す回路と同様であり、高周波等化器１００１、中周波等化器１００２、低周波等化器１００３のいずれに用いるかにより、図９に示す抵抗９０１と容量９０２の値の組み合わせが変化する。
図１２に高周波等化器１００１、中周波等化器１００２、低周波等化器１００３の他の構成を示す。図１２にしますように、高周波等化器１００１、中周波等化器１００２、低周波等化器１００３は、カスコードトランジスタ１２０１、１２０２、増幅用トランジスタ１２０３，１２０４、ディジェネレーション抵抗１２０５、電流源１２０６、１２０７、ハイパスフィルタ１２０８、１２０９、増幅用トランジスタ１２１０、１２１１、ディジェネレーション抵抗１２１２、電流源１２１３、１２１４で構成される。
入力信号１００６、１００７は、トランジスタ１２０３、１２０４及びハイパスフィルタ１２０８、１２０９に入力される。トランジスタ１２０３、１２０４は入力信号をそのまま電流に変換するが、ハイパスフィルタ１２０８、１２０９は高周波信号のみをトランジスタ１２１０、１２１１に伝達し、トランジスタ１２１０、１２１１は入力信号の高周波成分のみを電流に変換する。トランジスタ１２０３、１２０４とトランジスタ１２１０、１２１１の出力電流は足し合わされ、バイアス電圧源１２１５からバイアス電圧を与えられたカスコードトランジスタ１２０１、１２０２を通り、出力１００７、１００８へと出力される。そのため、ハイパスフィルタ１２０８、１２０９の帯域を変えることにより、任意の周波数にピークを持つ等化器を実現することができる。
図１３を参照して、上記実施形態を実現するための実施例３の等化装置について説明する。
図１３に示すように、等化装置は、３種類の等化器で構成され、それぞれが直列に接続されている。等化装置は、高周波等化器１３０１、中周波等化器１３０２、低周波等化器１３０３で構成される。高周波等化器１３０１、中周波等化器１３０２、低周波等化器１３０３の接続順は設計により最適なものを選ぶものであり、図１３では１例を描いているにすぎない。等化器への入力信号１３０４、１３０５は、高周波等化器１３０１により高周波側を増幅される。高周波等化器１３０１の出力１３０６、１３０７は中周波等化器１３０２に入力され、通信媒体の伝達特性における傾きの変化する周波数より上の周波数を増幅される。中周波等化器１３０２の出力１３０８、１３０９は低周波等化器１３０３に入力され、通信媒体の伝達特性における傾きの変化する周波数より下の周波数を増幅され、出力１３１０、１３１１として出力される。
実施例３は、消費電力や面積の点で第１、第２の実施例に劣るが、全ての等化器を独立に設計することができ、設計の自由度が高い。そのため、開発コストを抑えることができる。また、図１３中の高周波等化器１３０１、中周波等化器１３０２、低周波等化器１３０３は、図１１や図１２の等化器の構成に負荷を加えた回路で実現できる。
１０１ 基板
１０２ 基板
１０３ 通信媒体
１０４ コネクタ
１０５ コネクタ
１０６ 通信用ASIC
１０７ 通信用ASIC
２０１ LSI
２０２ LSI
４０１ 受信機
４０２ 信号処理部
４０３ 送信機
４０４ 線形等化器
４０５ DFE（Decision Feedback Equalizer）
４０６ CDR（Clock and Data Recovery）
４０７ マルチプレクサ
４０８ FFE（Feed Forward Equalizer）
４０９ 入力信号
４１０ 線形等化器出力信号
４１１ 受信機出力データ
４１２ 受信機クロック
４１３ 送信機クロック
４１４ 信号処理部出力データ
４１５ 送信信号シリアルデータ
４１６ 送信機出力
６０１ 高周波等化器伝達特性
６０２ 低周波等化器伝達特性
６０３ 中周波等化器伝達特性
６０４ 等価器合成伝達特性
８０１ 負荷
８０２ 負荷
８０３ カスコードトランジスタ
８０４ カスコードトランジスタ
８０５ 増幅用トランジスタ
８０６ 増幅用トランジスタ
８０７ ディジェネレーション抵抗
８０８ 高周波零点回路
８０９ 中周波零点回路
８１０ 低周波零点回路
８１１ 電流源
８１２ 電流源
８１３ 差動入力正側
８１４ 差動入力負側
８１５ 差動出力負側
８１６ 差動出力正側
８１７ トランジスタエミッタ
８１８ トランジスタエミッタ
８１９ カスコードバイアス電圧
９０１ 抵抗
９０２ 容量
９０３ スイッチ
９０４ 零点回路セル
９０５ 零点回路セル
９０６ 零点回路セル
１００１ 高周波等化器
１００２ 中周波等化器
１００３ 低周波等化器
１００４ 負荷
１００５ 負荷
１００６ 差動入力正側
１００７ 差動入力負側
１００８ 差動出力正側
１００９ 差動出力負側
１１０１ カスコードトランジスタ
１１０２ カスコードトランジスタ
１１０３ 増幅用トランジスタ
１１０４ 増幅用トランジスタ
１１０５ ディジェネレーション抵抗
１１０６ 零点回路
１１０７ 電流源
１１０８ 電流源
１１０９ トランジスタエミッタ
１１１０ トランジスタエミッタ
１１１１ カスコードバイアス電圧
１２０１ カスコードトランジスタ
１２０２ カスコードトランジスタ
１２０３ 増幅用トランジスタ
１２０４ 増幅用トランジスタ
１２０５ ディジェネレーション抵抗
１２０６ 電流源
１２０７ 電流源
１２０８ ハイパスフィルタ
１２０９ ハイパスフィルタ
１２１０ 増幅用トランジスタ
１２１１ 増幅用トランジスタ
１２１２ ディジェネレーション抵抗
１２１３ 電流源
１２１４ 電流源
１１０９ トランジスタエミッタ
１１１０ トランジスタエミッタ
１１１１ カスコードバイアス電圧
１３０１ 高周波等化器
１３０２ 中周波等化器
１３０３ 低周波等化器
１３０４ 等化器差動入力正側
１３０５ 等化器差動入力負側
１３０６ 高周波等化器差動出力正側
１３０７ 高周波等化器差動出力負側
１３０８ 中周波等化器差動出力正側
１３０９ 中周波等化器差動出力負側
１３１０ 等化器差動出力正側
１３１１ 等化器差動出力負側

Claims (11)

  1. 信号を伝送する通信媒体を伝送してきた信号が入力される等化装置であって、
    前記通信媒体の等化前の周波数特性における低周波帯に零点を有する低周波零点回路と、
    前記通信媒体の等化前の周波数特性における高周波帯に零点を有する高周波零点回路と、
    前記低周波帯と前記高周波帯との間に存在し、前記通信媒体の等化前の周波数特性における波形の傾きが変化する中間周波帯に零点を有する中間波零点回路と、を少なくとも有し、
    等化後の周波数特性における波形の傾きの変化量を抑制するように前記通信媒体を伝送してきた信号を等化することを特徴とする等化装置。
  2. 信号を伝送する通信媒体を伝送してきた信号が入力される等化装置であって、
    前記通信媒体の等化前の周波数特性における低周波帯の損失を補償する低周波等化器と、
    前記通信媒体の等化前の周波数特性における高周波帯の損失を補償する高周波等化器と、
    前記低周波帯と前記高周波帯との間に存在し、前記通信媒体の等化前の周波数特性における波形の傾きが変化する中間周波帯の損失を補償する中間波等化器と、を少なくとも有し、
    等化後の周波数特性における波形の傾きの変化量を抑制するように前記通信媒体を伝送してきた信号を等化することを特徴とする等化装置。
  3. 前記低周波等化器、前記高周波等化器及び前記中間波等化器は、並列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の等化装置。
  4. 前記低周波等化器、前記高周波等化器及び前記中間波等化器は、直列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の等化装置。
  5. 信号を伝送する通信媒体と、
    請求項１に記載の等化装置と、
    を有することを特徴とする信号伝送装置。
  6. 前記通信媒体は、前記低周波帯では表皮効果による損失が支配的あり、前記高周波帯では誘電損が支配的となる特性を有する金属導体であることを特徴とする請求項５に記載の信号伝送装置。
  7. 前記等化装置は、前記通信媒体のコネクタ内に搭載されていることを特徴とする請求項５に記載の信号伝送装置。
  8. 信号を伝送する通信媒体と、
    請求項２に記載の等化装置と、
    を有することを特徴とする信号伝送装置。
  9. 前記通信媒体は、前記低周波帯では表皮効果による損失が支配的あり、前記高周波帯では誘電損が支配的となる特性を有する金属導体であることを特徴とする請求項８に記載の信号伝送装置。
  10. 前記等化装置は、前記通信媒体のコネクタ内に搭載されていることを特徴とする請求項８に記載の信号伝送装置。
  11. 通信媒体を伝送してきた信号を等化する等化方法であって、
    前記通信媒体の等化前の周波数特性における低周波帯の損失を補償し、
    前記通信媒体の等化前の周波数特性における高周波帯の損失を補償し、
    前記低周波帯と前記高周波帯との間に存在し、前記通信媒体の等化前の周波数特性における波形の傾きが変化する中間周波帯の損失を補償し、
    等化後の周波数特性における波形の傾きの変化量を抑制することを特徴とする等化方法。
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