TWI554041B - 基於不均勻類比數位轉換器之二進制訊號偵測 - Google Patents

基於不均勻類比數位轉換器之二進制訊號偵測 Download PDF

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Description

基於不均勻類比數位轉換器之二進制訊號偵測
本發明有關於訊號偵測，尤有關於二進制訊號的訊號偵測。
二進制訊號傳遞是一種常見的架構，廣泛使用於序列資料鏈結(serial data link)，例如，序列高技術配置(SATA，serial advanced technology attachment)。在此序列資料鏈結中，根據第一時脈訊號，以一名義速度(nominal rate)fs傳輸一位元流；該位元流中的各位元代表一邏輯資料1或0(以下以1及0表示)。邏輯資料1利用一名義期間Ts內的電壓第一位準來表示，而邏輯資料0則利用該名義期間Ts內的電壓第二位準來表示，其中Ts=1/fs；結果，一待傳輸位元流則利用一個在第一位準及第二位準間來回雙態觸變(toggling)的電壓訊號來表示。一接收器透過一通道(如電纜(cable))接收該電壓訊號，但該通道通常會分散(disperse)該電壓訊號，為正確偵測該位元流，該接收器需能校正符際干擾(inter-symbol interference)的分散結果。
第1圖顯示一序列資料鏈結中的接收器100的功能方塊圖。該接收器100包含：一線性等化器(linear equalizer)110、一類比數位轉換器(ADC)120及一決策回饋等化器(decision feedback equalizer)130。該線性等化器110用以接收一分散訊號及輸出一等化訊號；該類比數位轉換器120用以接收該等化訊號及輸出一數位化訊號；該決策回饋等化器130用以接收該數位化訊號及輸出一回復(recovered)位元流。該線性等化器110的功能主要是用來進行初步等化，以部分地移除該等化訊號的符際干擾。然而，仍須處理一些殘餘的符際干擾。該決策回饋等化器130能有效移除殘餘的符際干擾，使得內含於該數位化訊號的位元流可以被正確地偵測。該決策回饋等化器130是一數位訊號處理(digital signal processing)電路，用以處理該類比數位轉換器120產生的數位化訊號。為正確地等化該數位化訊號，該類比數位轉換器120必須有足夠的解析度。為使接收器100的運作符合要求，習知接收器通常會要求該類比數位轉換器120須至少有6個位元以上的解析度。例如，對一個資料速度達10Gb/s的序列資料鏈結而言，即需要一個取樣頻率為10Gb/s的6位元類比數位轉換器。然而，設計這種規格的類比數位轉換器是不容易的，因此目前業界對於實施高速序列資料鏈結的接收器100是有困難的。
本發明目的之一在於提供一種接收器，以解決習知技術中的問題。
本發明的一實施例係提供一種裝置，包含一線性等化器、一可變增益放大器、一不均勻類比數位轉換以及一數位訊號處理單元。該線性等化器，用以接收一輸入訊號以及輸出一個不完全地等化訊號。該可變增益放大器，用以接收該不完全地等化訊號，並根據一增益控制訊號以輸出一個振幅調整訊號。該不均勻類比數位轉換器，用以接收該振幅調整訊號以及輸出一數位化訊號。該數位訊號處理單元，用以接收該數位化訊號、藉由進行訊號偵測以輸出一回復位元流、以及藉由比較振幅以產生該增益控制訊號。當該振幅調整訊號位在一個訊號偵測具有較高信賴度的區域時，該不均勻類比數位轉換器具有較低的精準度，而當該振幅調整訊號位在一個訊號偵測具有較低信賴度的區域時，該不均勻類比數位轉換器具有較高的精準度。一實施例中，該數位訊號處理單元包含一決策回饋等化器。
本發明的另一實施例係提供一種方法，包含：接收一輸入訊號；對該輸入訊號進行線性等化以產生一個不完全地等化訊號；根據一增益控制訊號，調整該不完全地等化訊號的振幅以產生一振幅調整訊號；利用一不均勻類比數位轉換器，將該振幅調整訊號轉換為一數位化訊號；對該數位化訊號進行訊號偵測，以產生一回復位元流；以及，根據該數位化訊號，進行自動增益控制以產生該增益控制訊號。當該振幅調整訊號位在一個訊號偵測具有較高信賴度的區 域時，該不均勻類比數位轉換器具有較低的精準度，而當該振幅調整訊號位在一個訊號偵測具有較低信賴度的區域時，該不均勻類比數位轉換器具有較高的精準度。一實施例中，該進行訊號偵測步驟包含決策回饋等化器。
100、300‧‧‧接收器
110、310‧‧‧線性等化器
120‧‧‧類比數位轉換器
130‧‧‧決策回饋等化器
320‧‧‧可變增益放大器
330‧‧‧不均勻類比數位轉換器
340‧‧‧數位訊號處理單元
第1圖顯示一序列資料鏈結中一接收器的功能方塊圖。
第2A圖顯示當減損不顯著時，二進制訊號的機率分佈函數圖。
第2B圖顯示當減損比較顯著時，二進制訊號的機率分佈函數圖。
第3圖顯示本發明一實施例之接收器的功能方塊圖。
第4圖顯示第3圖接收器之不均勻類比數位轉換器之轉移特性曲線。
本發明有關於訊號偵測，尤有關於二進制訊號的訊號偵測。例如，本發明之數個實施例包含一方法，可放寬高速序列資料鏈結中對接收器的要求或規格。以下之說明將舉出本發明之數個較佳的示範實施例，熟悉本領域者應可理解，本發明可採用各種可能的方式實施，並不限於下列示範之實施例或實施例中的特徵。
在序列資料鏈結中，請考慮一訊號被一接收器所接收。在序列資料鏈結中的一理想訊號具二個不同位準：一是理想位準0代表資料0、另一個是理想位準1代表資料1。然而，由於雜訊及其他減損(impairment)的關係，接收到的訊號並非理想且可能偏離上述二個不同位準。只要該接收到的訊號不要偏離其目標位準太遠，系統還是可以正確偵測到該訊號所代表的資料。第2A圖顯示當減損並不顯著時，二進制訊號的二位準的典型機率分佈函數圖(probability distribution function)。於此例中，僅藉由比較該訊號位準與一中間位準(其為理想位準0及理想位準1的平均值)，仍可正確偵測到該二進制訊號。當減損比較顯著時，例如後置符際干擾(post-cursor ISI)，該訊號位準會明顯地偏離上述二個不同位準，如第2B圖所示。然而，當該訊號位準接近該中間位準時，該訊號位準是模糊的且不易偵測；當該訊號位準遠大於該中間位準時，稱之為位於信賴區1，吾人有信心資料必定等於1；而當該訊號位準遠低於該中間位準時，稱之為位於信賴區0，吾人有信心資料必定等於0。據此概念，可建立一信賴臨界值0，故對於低於該信賴臨界值0的訊號，會被視為0；相同地，可建立一信賴臨界值1，故對於高於該信賴臨界值1的訊號，會被視為1。當一訊號高於該信賴臨界值0且低於該信賴臨界值1時，該訊號會被視為位在模糊區；於此例中，因為該訊號(由於減損)偏離其理想位準(1或0)太遠， 而變得模糊且在模糊區不易偵測。當該訊號位在模糊區時，需要訊號處理來幫助正確偵測該訊號。一實施例中，利用決策回饋等化(decision feedback equalization)的數位訊號處理(digital signal processing)被用來幫助正確偵測該訊號。為了進行數位訊號處理，首先，需利用一類比數位轉換器將該訊號轉換為複數個數位取樣點。然而，不同於先前技術，在本發明的幾個實施例中，使用一特殊用途的類比數位轉換器來偵測二進制訊號，此可降低該類比數位轉換器的複雜度，而無損二進制訊號之數位訊號處理的品質。
第3圖顯示本發明一實施例的接收器300的功能方塊圖。根據本發明一實施例，接收器300包含：一線性等化器310、一可變增益放大器(VGA，variable gain amplifier)320、一不均勻類比數位轉換器(non-uniform ADC)330及一數位訊號處理單元340。該線性等化器310用以接收一輸入訊號S1及輸出一個不完全地等化訊號S2；該可變增益放大器320用以接收該不完全地等化訊號S2及根據一增益控制訊號G，輸出一個振幅調整訊號S3；該不均勻類比數位轉換器330用以接收該振幅調整訊號S3及輸出一數位化訊號S4；該數位訊號處理單元340用以接收該數位化訊號S4及輸出該增益控制訊號G與一回復位元流D。該線性等化器310對該輸入訊號S1提供一初步等化，以部分地移除其間的符際干擾，而該不完全地等化訊號S2於形式上更接近一理想的二 階(二進制)訊號。該可變增益放大器320對該不完全地等化訊號S2進行振幅調整，使得該振幅調整訊號S3的位準大部分落在理想位準0或理想位準1的附近。該不均勻類比數位轉換器330對該振幅調整訊號S3進行類比數位轉換，以產生該數位化訊號S4；該數位訊號處理單元340對該數位化訊號S4進行數位訊號處理、移除殘餘的符際干擾及正確地偵測內含於該數位化訊號S4的位元流D。不同於習知的類比數位轉換器，該不均勻類比數位轉換器330的複數個數位化位準皆不均勻地偏移，請參考以下幾個段落之說明。
一類比數位轉換器係用來將一類比訊號轉換成一數位訊號的裝置。假設若該類比數位轉換器的精準度(precision)沒有極限，則該數位訊號將等於該類比訊號。實際上，該類比數位轉換器的精準度有極限，而該數位訊號可能偏離該類比訊號。該數位訊號及該類比訊號間的差異就是業界熟知的”量化雜訊(quantization noise)”，其取決於該類比數位轉換器的精準度。第3圖的接收器300中，就該不均勻類比數位轉換器330而言，該振幅調整訊號S3為一類比訊號而該數位化訊號S4為一數位訊號。利用以下數學方程式，顯示S4及S3的相關性：S4=S3+ε (1)
其中，ε代表該量化雜訊。該量化雜訊是一附加雜訊、一額外減損。然而，由第2B圖顯示，只有當該訊號(於此，是S3)落在模糊區(在模糊區中，減損已經很嚴重且很難 偵測訊號)時，該附加雜訊才具決定性。若該訊號落在信賴區1或0，吾人有信心可偵測到該訊號，於此例中，該量化雜訊並不重要。因此，當實際上沒有高精準度類比數位轉換的需要時，要求具有高精準度類比數位轉換就是浪費力氣。據此原則，該不均勻類比數位轉換器330使用不均勻量化。一實施例中，不均勻類比數位轉換器330之轉移特性曲線，由該振幅調整訊號S3至該數位化訊號S4，如第4圖所示。為便於比較，具理論上無極限精準度的類比數位轉換器(其沒有量化雜訊，故S4相同於S3)之轉移特性曲線，也同時顯示於第4圖中。當S3大於該信賴臨界值1時，S3位在信賴區1，同時該不均勻類比數位轉換器330具較低的精準度(因為有信心該訊號必定為1，故無須更高的精準度)；當S3小於該信賴臨界值0時，S3位在信賴區0，同時該不均勻類比數位轉換器330也具較低的精準度(因為有信心該訊號必定為0，故無須更高的精準度)；當S3大於該信賴臨界值0且小於該信賴臨界值1時，S3位在模糊區，同時該不均勻類比數位轉換器330具較高精準度(因為需進一步的數位訊號處理來正確偵測該訊號，故須要更高的精準度)。
在第4圖中，雖然該不均勻類比數位轉換器330在三區(即信賴區0、模糊區及信賴區1)之任一區中，都具有均勻的精準度，但此僅為示例而非本發明之限制。在該三區之任一區範圍內，精準度未必一定要均勻。例如，可以 讓模糊區的精準度變細(taper)，使得該中間位準附近的精準度較高，而該信賴臨界值0及該信賴臨界值1附近的精準度較低。在任一例中，在該模糊區內的平均精準度必須高於在該信賴區0內的平均精準度及該信賴區1內的平均精準度。同時，在第4圖中，雖然該不均勻類比數位轉換器330具有相對於該中間位準的反對稱(anti-symmetrical)特性(換言之，為奇函數)，但此僅為示例而非本發明之限制。該特性未必須為反對稱，在另一實施例中，該信賴區0內的平均精準度高於該信賴區1內的平均精準度。在另一實施例中，該信賴區1內的平均精準度高於該信賴區0內的平均精準度。
請參考第3圖，該數位訊號處理單元340進行自動增益控制(以產生該控制訊號G)及訊號偵測(以產生回復位元流D)。該自動增益控制的目的是適當地設定該增益控制訊號G的值來控制該可變增益放大器320去調整S3的振幅，使得S4多數落在理想位準0或1附近。若S4多數落在理想位準1之上或位在理想位準0之下，代表該可變增益放大器320的增益太高(亦即該增益控制訊號G的值被設得太高)。一實施例中，該控制訊號G被初始化為一初始值，之後，該數位訊號處理單元340利用以下演算法來更新該控制訊號G：
相對於高於理想位準0但低於理想位準1，若S4 比較多是高於理想位準1或低於理想位準0，則減少G值；否則，增加G值。
例如，每100個樣本，就統計S4一次。若100個樣本中有60個樣本是高於理想位準1或低於理想位準0(而其他40個樣本是高於理想位準0但低於理想位準1)，表示該增益控制訊號G的值過高，須降低G值。另一方面，若100個樣本中有45個樣本是高於理想位準1或低於理想位準0(而其他55個樣本是高於理想位準0但低於理想位準1)，表示該增益控制訊號G的值過小，須加大G值。請注意，上述例子僅為示例，在實際運作上，可使用其他樣本數目及臨界值，皆屬本發明的範疇。
一實施例中，該訊號偵測是根據以下演算法來進行：若S4大於信賴臨界值1，將D設定為1。
若S4小於信賴臨界值0，將D設定為0。
否則，進行決策回饋等化以將S4等化為S5；若S5大於該中間位準，將D設定為1，否則將D設定為0。
其中，S5是一等化訊號，是在決策回饋等化過程中產生的。決策回饋等化技術係本技術領域者所習知，故在此不予贅述。若對決策回饋等化技術不熟悉者，請參考教科書，如：Digital communications，作者：Proakis，出版社：McGraw-Hill,Inc.,New York。
另一實施例中，該訊號偵測包含以下步驟：進 行決策回饋等化以將S4等化為S5；若S5大於該中間位準，將D設定為1，否則將D設定為0。在此實施例中，該訊號偵測僅取決於S5，而不管S4是否大於信賴臨界值1或小於信賴臨界值0。
一實施例中，該信賴臨界值1是理想位準1和該中間位準的平均值(mean)，而該信賴臨界值0是理想位準0和該中間位準的平均值。該理想位準、該中間位準及該信賴臨界值的一些示範數值，將描述如下。請注意，該些示範數值僅為示例而非本發明之限制。例如，當該振幅調整訊號”足夠接近”該中間位準時，該訊號偵測僅有較低信賴度，其中，”足夠接近”可能是介於二個臨界位準間的一區。在另一個例子中，當該振幅調整訊號”足夠遠離”該中間位準時，該訊號偵測有較高信賴度，其中，”足夠遠離”可能是超出一臨界值。換言之，”足夠”可以從第2B圖及第4圖明顯看出，並由至少以下的示範數值作說明。
一實施例中，該理想位準1是200mV；該理想位準0是-200mV；該中間位準是0mV；該信賴臨界值1是100mV；該信賴臨界值0是-100mV。
一實施例中，該理想位準1是200mV；該理想位準0是-200mV；該中間位準是0mV；該信賴臨界值1是50mV；該信賴臨界值0是-50mV。
一實施例中，該信賴臨界值1是一個位準，高於 該位準而將D設定等於1所得到的錯誤機率是1%；該信賴臨界值0是一個位準，低於該位準而將D設定等於0所得到的錯誤機率是1%。
第3圖的可變增益放大器320的實施係本技術領域者所習知，故在此不予贅述。若對可變增益放大器技術不熟悉者，請參照參考文獻中Verma等人所寫的論文。
第3圖的線性等化器310可利用美國專利第8,255,449號揭露的連續時間有限脈衝響應(finite impulse response)電路來實施。
第3圖的不均勻類比數位轉換器330可利用如美國專利第6,498,577號揭露的電路來實施。請注意，美國專利第6,498,577號揭露的電路是一個片段線性(piecewise linear)的不均勻類比數位轉換器，但於本案中，不均勻類比數位轉換器不需要有片段線性之特性。
上述僅為本發明之較佳實施例而已，而並非用以限定本發明的申請專利範圍；凡其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
300‧‧‧接收器
310‧‧‧線性等化器
320‧‧‧可變增益放大器
330‧‧‧不均勻類比數位轉換器
340‧‧‧數位訊號處理單元

Claims (20)

  1. 一種接收裝置，包含：一線性等化器，用以接收一輸入訊號以及輸出一個不完全地等化訊號；一可變增益放大器，用以接收該不完全地等化訊號，並根據一增益控制訊號以輸出一振幅調整訊號；一不均勻類比數位轉換器，具一轉移特性曲線，用以根據該轉移特性曲線，接收該振幅調整訊號以及輸出一數位化訊號；以及一數位訊號處理單元，用以接收該數位化訊號、藉由進行訊號偵測以輸出一回復位元流、以及藉由進行自動增益控制以產生該增益控制訊號；其中，該轉移特性曲線包含三個區域，而且，在該些區域中，該不均勻類比數位轉換器具有至少二個不同的精準度。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之接收裝置，其中當該振幅調整訊號的位準位在一個訊號偵測具有較高信賴度的區域時，該不均勻類比數位轉換器具有較低的精準度；以及，其中當該振幅調整訊號的位準位在一個訊號偵測具有較低信賴度的區域時，該不均勻類比數位轉換器具有較高的精準度。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之接收裝置，其中當該振幅 調整訊號的位準位在一個訊號偵測具有較低信賴度的區域時，該訊號偵測包含對該數位化訊號進行決策回饋等化。
  4. 如申請專利範圍第2項所記載之接收裝置，其中當該振幅調整訊號的位準足夠接近對應邏輯資料1的理想位準或實質上接近對應邏輯資料0的理想位準時，該訊號偵測具有較高信賴度。
  5. 如申請專利範圍第2項所記載之接收裝置，其中當該振幅調整訊號的位準並沒有足夠接近對應邏輯資料1的理想位準、也沒有足夠接近對應邏輯資料0的理想位準時，該訊號偵測具有較低信賴度。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載之接收裝置，其中當該振幅調整訊號的位準足夠接近對應邏輯資料1的理想位準或足夠接近對應邏輯資料0的理想位準時，該不均勻類比數位轉換器具有較低精準度。
  7. 如申請專利範圍第1項所記載之接收裝置，其中當該振幅調整訊號的位準係足夠相異於對應邏輯資料1的理想位準以及對應邏輯資料0的理想位準之一中間位準時，該不均勻類比數位轉換器具有較低精準度。
  8. 如申請專利範圍第1項所記載之接收裝置，其中當該振幅調整訊號的位準係足夠接近對應邏輯資料1的理想位準 以及對應邏輯資料0的理想位準之一中間位準時，該不均勻類比數位轉換器具有較高精準度。
  9. 如申請專利範圍第1項所記載之接收裝置，其中該訊號偵測包含該數位化訊號的決策回饋等化。
  10. 如申請專利範圍第2項所記載之接收裝置，其中該自動增益控制係根據該數位化訊號與一參考位準的比較結果。
  11. 一種接收方法，包含：接收一輸入訊號；對該輸入訊號進行線性等化以產生一個不完全地等化訊號；根據一增益控制訊號，調整該不完全地等化訊號的振幅以產生一振幅調整訊號；利用一不均勻類比數位轉換器，且根據該不均勻類比數位轉換器之轉移特性曲線，將該振幅調整訊號轉換為一數位化訊號；對該數位化訊號進行訊號偵測，以產生一回復位元流；以及根據該數位化訊號，進行自動增益控制以產生該增益控制訊號；其中，該轉移特性曲線包含三個區域，而且，在該些區域中，該不均勻類比數位轉換器具有至少二個不同的精準 度。
  12. 如申請專利範圍第11項所記載之接收方法，其中當該振幅調整訊號的位準位在一個訊號偵測具有較高信賴度的區域時，該不均勻類比數位轉換器具有較低的精準度；以及其中當該振幅調整訊號的位準位在一個訊號偵測具有較低信賴度的區域時，該不均勻類比數位轉換器具有較高的精準度。
  13. 如申請專利範圍第12項所記載之接收方法，其中該進行訊號偵測步驟包含：當該振幅調整訊號的位準位在一個訊號偵測具有較低信賴度的區域時，對該數位化訊號進行決策回饋等化。
  14. 如申請專利範圍第12項所記載之接收方法，其中當該振幅調整訊號的位準係足夠相異於對應邏輯資料1的理想位準以及對應邏輯資料0的理想位準之一中間位準時，該訊號偵測具有較高信賴度。
  15. 如申請專利範圍第12項所記載之接收方法，其中當該振幅調整訊號的位準係足夠接近對應邏輯資料1的理想位準以及對應邏輯資料0的理想位準之一中間位準時，該訊號偵測具有較低信賴度。
  16. 如申請專利範圍第11項所記載之接收方法，其中當該振幅調整訊號的位準足夠大於對應邏輯資料1的理想位準 以及對應邏輯資料0的理想位準之一中間位準時，該不均勻類比數位轉換器具有較低精準度。
  17. 如申請專利範圍第11項所記載之接收方法，其中當該振幅調整訊號的位準足夠低於對應邏輯資料1的理想位準以及對應邏輯資料0的理想位準之一中間位準時，該不均勻類比數位轉換器具有較低精準度。
  18. 如申請專利範圍第11項所記載之接收方法，其中當該振幅調整訊號的位準足夠接近對應邏輯資料1的理想位準以及對應邏輯資料0的理想位準之一中間位準時，該不均勻類比數位轉換器具有較高精準度。
  19. 如申請專利範圍第11項所記載之接收方法，其中該進行訊號偵測步驟包含：對該數位化訊號進行決策回饋等化。
  20. 如申請專利範圍第11項所記載之接收方法，其中該進行自動增益控制步驟係根據該數位化訊號與一參考位準的比較結果。
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