CN107483150A

CN107483150A - 基于tsv传输的信道级联码编码方法和信号传输方法及装置

Info

Publication number: CN107483150A
Application number: CN201710681650.0A
Authority: CN
Inventors: 缪旻; 段肖洋
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2017-12-15

Abstract

本发明涉及一种基于TSV传输的信道级联码编码方法和信号传输方法及装置。该方法在待传输的二进制随机信息序列进入TSV传输通道之前，对该二进制随机信息序列进行信道级联码编码，即首先进行汉明码编码，然后进行LDPC码编码；在采用上述方法编码的信息序列通过TSV传输通道之后，对编码的信息序列进行信道级联码译码，即首先进行LDPC码译码，然后进行汉明码译码，得到最终的信息序列。本方案能够在不影响TSV结构、不增加大量成本的情况下，高效地克服误码，减小耦合串扰对信号传输的影响。

Description

基于TSV传输的信道级联码编码方法和信号传输方法及装置

技术领域

本发明属于面向高频/高速应用的三维集成电路技术领域，涉及三维集成电路的电互联技术和信号传输技术，具体涉及一种基于TSV传输的信道级联码编码方法，以及相应的信号传输方法和装置。

背景技术

随着现代电子技术发展速度越来越快，电子产品向着小型化，集中化的方向发展，集成度越来越高，传统的二维封装技术已经无法满足如此迅速的电子产品集成度提升要求。因此，三维系统级封装技术应运而生，成为使信息系统集成度和电子产品集成度不断提高的一项重要技术。

三维系统级封装技术是采用微互连技术将不同集成电路工艺技术制造而成的若干裸芯片和微型无源器件集成在同一个小型硅转接板中，形成具有系统功能的高性能微型组件。所谓3D封装，就是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内与垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。

要实现三维封装，就不得不提到TSV(Through Silicon Via，硅通孔)技术。该技术是利用垂直硅通孔来完成芯片间互连的方法，使用硅通孔技术可以使连接距离更短，强度更高，能实现更小更薄而性能更好，密度更高，尺寸和重量明显减小的封装，还可以用于异种芯片间的互连。基于硅通孔的三维集成电路成为业界公认的集成电路未来发展方向，也是摩尔定律继续得以延续的有力保证。

在硅转接板中，主要组成部分有垂直向上的TSV结构和位于上下表面，水平方向的RDL(Re-Distribution Layer,重布线层)。芯片之间传输信息就是通过TSV和RDL，由于材料特性和结构工艺特性，TSV通道之间，TSV通道与硅转接板都会产生相互作用，对信号传输产生重要影响。同时，随着电子产品集成度越来越高，要求TSV阵列密度越来愈大，这样就造成TSV阵列之间间距减小，就会造成很大的信号串扰。现有的研究提出TSV间码间串扰的影响主要集中在相邻TSV之间，TSV与其相邻TSV之间以电容、电感耦合的方式形成串扰，串扰强度与TSV间距有直接的关系，TSV间距为TSV直径1倍条件下，码间串扰可达到信号峰值的20％。

在现有的解决TSV码间串扰的方法中，大多是采用完善工艺方法来抑制TSV码间串扰，改变TSV结构，采用各类屏蔽结构来抑制耦合。比如采用PN节隔离环，深N阱隔离环和屏蔽TSV结构等，将噪声与信号隔离开来，使一部分噪声被屏蔽结构直接吸收，从而提高系统隔离度。这三种结构的原理相似，其中PN节隔离环和深N阱隔离环接地，为信号TSV提供了一个阻抗较低的接地端，使一部分衬底的耦合噪声被PN节隔离环和深N阱隔离环所吸收，从而起到了对信号TSV电磁屏蔽的作用，使外部的信号无法干扰内部信号的传输。而屏蔽TSV结构则是直接在两个信号TSV之间增加一个接地端，使信号TSV到地的距离缩短，阻抗降低，致使衬底中耦合噪声被屏蔽TSV吸收,使其无法干扰其他信号TSV。但是对于高密度集成的TSV传输阵列，需要在很小的面积布置数量很多的TSV传输阵列。如果采用加入面积较大的屏蔽结构的方法，不仅会限制TSV数量，而且还增加成本。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，提出了针对TSV阵列传输的信道级联码传输方案。该方案在不改变TSV结构的基础上，将TSV传输通道看作是具有高噪声，高串扰的无线传输信道，并且加入信道级联码。本方案能够在不影响TSV结构、不增加大量成本的情况下，高效地克服误码，减小耦合串扰对信号传输的影响。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于TSV传输的信道级联码编码方法，在待传输的二进制随机信息序列进入TSV传输通道之前，对该二进制随机信息序列进行信道级联码编码；所述信道级联码编码首先进行汉明码编码，然后进行LDPC码编码。

进一步地，所述TSV传输通道为包含TSV阵列的传输通道。

一种基于TSV传输的信道级联码编码装置，其包括：

第一编码器，用于在待传输的二进制随机信息序列进入TSV传输通道之前，对该二进制随机信息序列进行汉明码编码，得到汉明码；

第二编码器，连接所述第一编码器，用于对所述第一编码器得到的汉明码进行LDPC码编码。

一种基于TSV传输的信道级联码译码方法，在采用上述方法编码的信息序列通过TSV传输通道之后，对编码的信息序列进行信道级联码译码；所述信道级联码译码首先进行LDPC码译码，然后进行汉明码译码。

一种基于TSV传输的信道级联码译码装置，其包括：

第一译码器，用于在采用上述方法编码的信息序列通过TSV传输通道之后，对编码的信息序列进行LDPC码译码；

第二译码器，连接所述第一译码器，用于对所述第一译码器得到的LDPC码译码进行汉明码译码。

一种降低误码率的TSV中信号传输方法，包括以下步骤：

1)在待传输的二进制随机信息序列进入TSV传输通道之前，对该二进制随机信息序列进行信道级联码编码；所述信道级联码编码首先进行汉明码编码，然后进行LDPC码编码；

2)将LDPC码编码后的信息序列通过带有噪声和串扰的TSV传输通道；

3)在LDPC码编码后的信息序列通过TSV传输通道后，首先进行LDPC码译码，然后进行汉明码译码，得到最终的信息序列。

进一步地，所述TSV传输通道为包含TSV阵列的传输通道。

进一步地，使用电磁仿真软件建立TSV阵列传输的信道模型，通过该信道模型分析噪声和串扰对信号传输的影响。

一种实现低误码率的TSV中信号传输的装置，其包括上面所述的基于TSV传输的信道级联码编码装置，以及上面所述的基于TSV传输的信道级联码译码装置。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)不必改变TSV结构，不必添加屏蔽结构，在面积一定的情况下不会减少TSV数量，同时编译码在具体实现时，只需添加若干个门电路即可，对成本要求不高。

2)LDPC码具有长码长的特点，符合TSV阵列中TSV数量和密度比较高的要求；同时，TSV阵列信号传输距离短、速率高、延时小，LDPC码的编码线性复杂度低，可以进行并行译码；此外，LDPC码非常适合于硬件电路实现。

3)汉明码编译简单，易于实现。

4)信号传输误码率极低，在高信噪比下可以达到10^-9，有强大的纠错能力，极大的减弱了TSV间的码间串扰对信号传输的影响，提高了传输系统的稳定性。

附图说明

图1是TSV对的电磁仿真模型图。

图2是TSV阵列传输信道模型图。

图3是TSV阵列传输信道级联码方案模型图。

图4是级联码传输方案流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，对本发明作进一步详细描述。

本发明的核心步骤为编码步骤和译码步骤，即通过特定的级联编码、译码方案减弱TSV间的码间串扰对信号传输的影响，提高传输系统的稳定性。另外，本发明还通过电磁仿真软件建立了TSV阵列传输信道模型，用以分析信道中的TSV间的串扰。

本发明的一个实施例中：首先建立TSV阵列传输信道模型，在该模型中分析噪声、串扰对信号传输的具体影响，然后再在信道模型中加入级联码编译码。具体方案分为三部分：电磁仿真部分、编码部分、译码部分。如上所述，电磁仿真部分是用来分析信道中的TSV间的串扰，并不是本发明必须有的部分。

1)电磁仿真部分：

首先使用HFSS(High Frequency Structure Simulator)电磁仿真软件建立4端口模型，然后再进行电磁仿真得出S参数，再对其进行IFFT(Inverse Fast FourierTransform，快速傅里叶逆变换)运算。进行过IFFT运算的S参数则对应着信道中的TSV间的串扰。

图1是TSV对的电磁仿真模型图。该模型为使用HFSS电磁仿真软件建立的TSV对的电磁仿真模型。其中，端口1、端口2的通道为主信道，端口3、端口4的通道为参考信道；端口1、端口3为信号输出端，端口2、端口4为接收信号端。

图2是TSV阵列传输信道模型图。其中X_i(i＝1,2)为信道的信号输入端，Y_i(i＝1,2)为信道的信号输出端，Z_i(i＝1,2)为信道中的高斯噪声，g_ii(i＝1,2)是本信道的增益，g_ij(i,j＝1,2and i≠j)是相邻信道产生的增益，即TSV间的码间串扰。

2)编码部分：

系统产生k位的二进制随机信息序列msg，对其进行汉明码编码，成为(n,k)汉明码，即有k位信息码，n-k位校验码；再对该汉明码进行LDPC(Low Density Parity CheckCode，低密度奇偶校验码)码编码，得到(2n,3,d)的LDPC码，即码率为0.5，列重为3，行重为d(2≤d≤6)。编码完成以后，信息序列就会通过带有增益的干扰信道。

需要说明的是，上述LDPC编码的参数值只是举例，本发明也可以采用其它数值。

3)译码部分：

在通过有高斯噪声的干扰信道后，就对信息序列进行译码。根据内外码顺序，先使用BP(Belief Propagation，置信传播)译码算法进行LDPC码译码，这样就能得出长为n位的信息序列，可以将此序列与之前编码部分的汉明码进行对比，得出内码编译的误码率；再对n位信息序列进行汉明码译码，得到最终结果，与原始随机序列进行比较，得出误码率。

图3是TSV阵列传输信道级联码方案模型图。其中外码编码器也可称为第一编码器，内码编码器也可称为第二编码器，两个编码器分别用于进行汉明码编码和LDPC码编码；内码译码器也可称为第一译码器，外码译码器也可称为第二译码器，两个译码器分别用于进行LDPC码译码和汉明码译码。

下面提供一具体应用实例。在本实例中，级联码传输方案的流程如图4所示。TSV阵列传输信息速率为10Gbps，在此基础上建立TSV对电磁仿真模型，如图1所示。进行电磁全波仿真之后，可以得到S参数，包括S₂₁，S₃₁参数。S₂₁表示主信道的频域特性，S₃₁表示参考信道对主信道的频域特性。然后对两个参数进行IFFT运算后，得到相应的时域特性，分别对应为主信道增益g₁₁＝0.921，以及参考信道对主信道增益，即TSV阵列间的干扰，g₁₂＝-0.013。

在确定了信道增益后，就可以传输信号。在本实例中，产生k＝1013位长的随机二进制序列msg；然后进行汉明编码，得到(1023,1013)汉明码(n＝1023,k＝1013)；再进行LDPC编码，得到(2046,3,d)LDPC码。

在上述产生的信息序列通过高噪声，高干扰的信道后，开始进行译码。首先进行LDPC译码，译码完成后得到n＝1023位长的信息序列；然后再对该序列进行汉明译码，得到k＝1013位长的信息序列；最后，将该序列与最初的信息序列msg进行比较得到信息误码率。

在该方案中，信噪比为7dB时，误码率能够降低到10^-7。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种基于TSV传输的信道级联码编码方法，其特征在于，在待传输的二进制随机信息序列进入TSV传输通道之前，对该二进制随机信息序列进行信道级联码编码；所述信道级联码编码首先进行汉明码编码，然后进行LDPC码编码。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TSV传输通道为包含TSV阵列的传输通道。

3.一种基于TSV传输的信道级联码编码装置，其特征在于，包括：

4.一种基于TSV传输的信道级联码译码方法，其特征在于，在采用权利要求1所述方法编码的信息序列通过TSV传输通道之后，对编码的信息序列进行信道级联码译码；所述信道级联码译码首先进行LDPC码译码，然后进行汉明码译码。

5.一种基于TSV传输的信道级联码译码装置，其特征在于，包括：

第一译码器，用于在采用权利要求1所述方法编码的信息序列通过TSV传输通道之后，对编码的信息序列进行LDPC码译码；

6.一种降低误码率的TSV中信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述TSV传输通道为包含TSV阵列的传输通道。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使用电磁仿真软件建立TSV阵列传输的信道模型，通过该信道模型分析噪声和串扰对信号传输的影响。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，使用HFSS电磁仿真软件建立TSV阵列传输的信道模型，然后进行电磁仿真得出S参数，然后对其进行IFFT运算，得到信道中的TSV间的串扰。

10.一种实现低误码率的TSV中信号传输的装置，其特征在于，包括权利要求3所述的基于TSV传输的信道级联码编码装置，以及权利要求5所述的基于TSV传输的信道级联码译码装置。