CN106844850B - 一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法 - Google Patents

一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对线束远端串扰噪声的消除电路设计方法，属于抑制信号噪声的领域。本发明解决在弱耦合条件下，多导体传输线的远端串扰噪声对信号完整性的影响。采用的技术方案为：提取传输线的电磁参数，根据推导出的远端串扰噪声与近端信号源的关系式，得到相应的传递函数，通过网络综合，在近似的条件下将拟合出的网络加载在传输线末端干扰线与受扰线之间，从而达到消除或一定程度抑制串扰的作用。

Description

一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法
技术领域
本发明涉及一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法，属于抑制信号串扰噪声领域。
背景技术
随着电气电子设备向着小型化和高频化发展，数据传输速率和时钟速度在稳步提高。然而，近距离和高频率给传输线带来了不利的近场干扰—串扰。所谓串扰，是指相互靠近的传输线之间无意的电磁耦合。在有限的空间内，大量传输线内的电磁能量以噪声的形式相互流动，造成系统内部的相互干扰，这会严重影响电气设备的电磁兼容性。
目前串扰抑制的方法有很多，有的抑制方法出于改变传输线结构或耦合参数的原理，例如屏蔽和双绞结构；有的方法根据不同频率的信号，设计无源的滤波器作为串扰的抑制手段；还可以通过信道编码的角度减少串扰对信号完整性的影响。
美国Brian Young教授所著《数字信号完整性：互连、封装的建模与仿真》一书，关于信号完整性的部分，在对传输线的串扰信号的分析中，将串扰信号分为容性耦合和感性耦合两部分。其中，容性耦合主要通过传输线之间的互容耦合而来，感性耦合则主要通过传输线之间的互感耦合而来。分别分析容性耦合和感性耦合的信号并联立，在忽略干扰线传输损耗的假设前提下，可以得到受扰线远端总串扰信号与干扰线近端电压的关系式。从该表达式出发，考虑在干扰线和受扰线远端端口间设置一个具有特定传递函数的无源网络，使得该传递函数与传输线总串扰所构成的传递函数符号相反，从而抵消串扰信号，达到串扰抑制的目的。
发明内容
为了消除传输线远端串扰噪声，本发明提供一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法。当消除电路的传递函数在一定频率范围内近似等于远端串扰噪声的传递函数的负值时，根据信号叠加原理，通过消除电路传输的信号能够与串扰噪声相互抵消。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法，包括以下步骤：
步骤1，提取传输线的电磁参数矩阵，再根据传输线的电磁参数矩阵得到受扰线远端串扰噪声与近端信号源的关系式；
步骤2，根据受扰线远端串扰噪声与近端信号源的关系式，得到远端串扰信号的传递函数；
步骤3，在干扰线与受扰线远端之间添加消除电路，使得消除电路的传递函数与远端串扰信号的传递函数相互抵消，从而消除远端串扰。
作为本发明的进一步优化方案，步骤3中所述消除电路为RC或RL无源网络。
作为本发明的进一步优化方案，步骤3中所述消除电路的传递函数H(ω)＝-Hsf(ω)，其中，Hsf(ω)为远端串扰信号的传递函数。
作为本发明的进一步优化方案，步骤2中所述远端串扰信号的传递函数
Figure BDA0001182837200000021
其中，l为传输线的长度，Z0为传输线的特征阻抗，Cm为传输线间的单位长度耦合电容，Lm为传输线间的单位长度耦合电感。
作为本发明的进一步优化方案，步骤1中根据传输线的实际结构进行建模仿真，利用电磁参数提取工具提取传输线的电磁参数矩阵。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明一种针对远端串扰的消除电路设计方法，能够消除传输线远端串扰噪声。当消除电路的传递函数在一定频率范围内近似等于远端串扰噪声的传递函数的负值时，根据信号叠加原理，通过消除电路传输的信号能够与串扰噪声相互抵消。
附图说明
图1基于传递函数的多导体传输线远端串扰消除示意图。
图2为传输线微单元容性耦合示意图。
图3为传输线微单元感性耦合示意图。
图4为传输线间远端串扰的电路模型和信号结构图，其中，(a)为传输线间远端串扰的电路模型，(b)为传输线间远端串扰的信号结构图。
图5为RC二端口网络。
图6为基于RC微分补偿电路的串扰消除电路接法。
图7为RL二端口网络。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明一种针对远端串扰的消除电路设计方法，解决在弱耦合条件下，多导体传输线的远端串扰噪声对信号完整性的影响。采用的技术方案为：提取传输线的电磁参数，根据推导出的远端串扰噪声与近端信号源的关系式，得到相应的传递函数，通过网络综合，在近似的条件下将拟合出的网络加载在传输线末端干扰线与受扰线之间，从而达到消除或一定程度抑制串扰的作用。
如图4中(a)和(b)所示分别为传输线间远端串扰的电路模型和信号结构图。首先求出信号结构图中的传递函数，从该信号结构图出发，通过网络综合得到消除电路的组成和接法。由此，远端串扰消除电路设计的具体步骤为：
1.将传输线实际结构进行建模仿真，利用电磁参数提取工具对传输线电磁参数进行分析，得到传输线的电磁参数矩阵，尤其需要传输线间的互容和互感参数。
2.如图2所示为dz长度的传输线微单元容性耦合示意图，其中unc和ufc分别表示微单元模型的近端电压和远端电压，参考点为地。假设传输线的特征阻抗为Z0，流过电容上的电流为ic，经电容耦合的电流到受扰线上后分成in和if两部分，于是有：
unc＝inZ0
ufc＝ifZ0
ic＝in+if
忽略干扰线的传输损耗，则两条传输线间通过互容耦合的电流为：
其中，Cm为传输线间的单位长度耦合电容，us为干扰线源电压。
综合以上各式，可得：
Figure BDA0001182837200000032
同理可由图3可以得到感性耦合串扰公式：
其中，Lm为传输线间的单位长度耦合电感。
联立以上两式，从z＝0到z＝l积分，可得：
Figure BDA0001182837200000034
其频域表达式为：
Figure BDA0001182837200000035
式中，ω为角频率，l为传输线的长度，Cm为传输线间的单位长度耦合电容，Lm为传输线间的单位长度耦合电感，Z0为传输线的特征阻抗，
Figure BDA0001182837200000036
为干扰线上的输入电压。
由上述分析可知，对于如图4中(a)所示的串扰电路模型可以简化为图4中(b)所示的传输线信号结构图，其中，远端串扰信号的传递函数为：
Figure BDA0001182837200000041
因此可以通过网络综合，得到在一定频率范围内传递函数Had近似等于Hsf的负值的网络，即可消除该频率范围内的远端串扰，如图1所示，其中us和u's分别为干扰线和受扰线的电源，ZL为源阻抗和负载阻抗，Had(ω)为用于串扰消除的传递函数。
本发明中在干扰线和受扰线远端端口之间添加一个RC或RL无源网络，使该无源网络的传递函数能够与形成远端串扰信号的传递函数相互抵消，进而达到消除串扰的目的。
对于如图5所示的RC二端口网络，其传递函数为：
Figure BDA0001182837200000042
其中，
Figure BDA0001182837200000043
分别为RC二端口网络的输入电压和输出电压，R为RC二端口网络中的电阻，C为RC二端口网络中的电容。
当满足条件|ωRC|＜＜1时，上式近似为：
HRC(ω)＝jωRC
令HRC(ω)＝-Hsf(ω)，则当在干扰线终端和受扰线终端接上如图4所示的RC二端口网络时，即可消除由干扰线产生的远端串扰，并取R＝Z0，由上述条件得：
Figure BDA0001182837200000044
考虑传输线相互之间的串扰，需要在干扰线与受扰线终端均接上这样的RC微分消除电路，电路简化后的接法如图6所示。
对于如图7所示的RL二端口网络，其传递函数在满足条件
Figure BDA0001182837200000045
时为：
HRL(ω)＝jωL/R
其中，L为RL二端口网络的电感，R为RL二端口网络的电阻。
同样令HRL(ω)＝-Hsf(ω)，则当在干扰线终端和受扰线终端接上如图7所示的RL二端口网络时，即可消除由干扰线产生的远端串扰。
本发明在干扰线和受扰线远端端口之间添加消除电路(无源网络)，根据远端串扰信号的传递函数对该网络进行综合，干扰线远端信号通过该无源网络加载在受扰线远端端口上的信号与相应的串扰信号相互抵消，该无源网络具有抵消传输线耦合的功能特性。
本发明首先根据传输线尺寸参数和布局参数，提取传输线耦合电容和耦合电感，代入远端串扰公式得到远端串扰噪声的传递函数，将该传递函数取反并进行网络综合，即可得到该无源消除电路。由于通过网络综合得到的消除电路并不唯一，因此消除电路需要按照所要消除的端口正确接入传输线端口电路中，考虑到干扰线和受扰线之间相互存在的串扰，还需要对并联的消除电路进行合并简化。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，提取传输线的电磁参数矩阵，再根据传输线的电磁参数矩阵得到受扰线远端串扰噪声与近端信号源的关系式；
步骤2，根据受扰线远端串扰噪声与近端信号源的关系式，得到远端串扰信号的传递函数
Figure FDA0002203939400000011
其中，l为传输线的长度，Z0为传输线的特征阻抗，Cm为传输线间的单位长度耦合电容，Lm为传输线间的单位长度耦合电感；
步骤3，在干扰线与受扰线远端之间添加消除电路，使得消除电路的传递函数与远端串扰信号的传递函数相互抵消，从而消除远端串扰。
2.根据权利要求1所述的一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法，其特征在于，步骤3中所述消除电路为RC或RL无源网络。
3.根据权利要求1所述的一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法，其特征在于，步骤3中所述消除电路的传递函数H(ω)＝-Hsf(ω)，其中，Hsf(ω)为远端串扰信号的传递函数。
4.根据权利要求1所述的一种针对远端串扰噪声的消除电路设计方法，其特征在于，步骤1中根据传输线的实际结构进行建模仿真，利用电磁参数提取工具提取传输线的电磁参数矩阵。
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