高速IF(高速伝送)設計の基礎と実践－「GHzは怖くない！」③ イコライザ/ Pre-emphasis とは?

高速伝送の3回目、今日はイコライザ機能についてお伝えします。

イコライザ機能 ― 所望の周波数特性を実現するために

前章で述べたように、高速伝送系で“フラットな帯域特性”を実現するには、回路側で積極的に補償技術を導入する必要があります。その代表が「イコライザ（等化器）」です。

イコライザは、送信側（TX）や受信側（RX）で異なる周波数特性を持つ回路を組み合わせて、
システム全体として所望の周波数応答（＝良好なアイ開口が得られる帯域フラット特性）を実現するための技術です。

たとえば、

PCI Expressなどの実例では、TX、RXともにイコライザ機能が搭載され、設計者は伝送環境・世代（Gen1/Gen2）に合わせて所望の周波数応答を合成することで、高速信号伝送の信頼性を確保しています。

一般に、RXイコライザはTXイコライザよりも技術的に難易度が高く、設計や調整も複雑になりがちです。
近年はTX/RX両方にイコライザを搭載するシステムが主流ですが、今回の設計例では伝送路特性と設計バランスを考慮し、「TXイコライザ方式（送信側補償）」を選択しています。

このように、伝送路特性を踏まえて最適なイコライザ方式を選択することが、安定した高速IF設計の実現につながります。

TXイコライザで、特定の高周波成分をあらかじめ強調（増幅）する処理が「Pre-emphasis（プリアンファシス）」です。Pre-emphasisは、送信信号の立ち上がりや立ち下がりといった高速成分を強調し、伝送路で減衰してしまう高域成分をあらかじめ“ブースト”して送り出す技術です。

図のように「現在の入力データから、1クロック前のデータ（z⁻¹遅延）をα倍して差し引く」ことで、急峻な変化（＝高域成分）を強調する仕組みです。

この技術は、離散時間系のハイパスフィルタとして数式でモデル化できます。

式で表すと

（yₖ：出力、dₖ：現在の入力、α：Pre-emphasisの強さパラメータ）

これをz変換すると、

となり、伝達関数としてシステム的な評価も可能です。

さらに、周波数特性（|H(f)|）は

のように表せます。ここでfsはサンプリング周波数、αが小さいほど補償効果は弱く、大きいほど強い補償となります。

実際のICやデータシートでは、Pre-emphasisの効き具合は「boost gain（Gb）」で表されます。
これは“ピークゲインとDCゲインの比率”で、下記の式で定義されます。

Gbから逆算してαを決定します。

この数式モデルを基に、PEレベル1～3などの段階でα値を設定するα値計算表が作れます。

＜α値計算表＞

PE level	boost(dB)	boost	α
0	0	1	0
1	3	1.41	0.17
2	6	2.00	0.33
3	9	2.82	0.48

このように数式と物理モデルに基づいて、信号補償量を論理的に設計できるのがPre-emphasisの強みです。

ちょっと長くなったので、今回はここまでにして、次回はPre-emphasisの有無による波形の違いについてお伝えします。

Soda

デジアナMIX回路、ΔΣ回路設計などで、著名な大手企業も開発に困るような数々の回路設計・開発を主導した、回路設計・システム開発のレジェンド級エンジニア。