CN112636853B - 一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法，涉及信号分析领域，该方法包括：对待测信号传输通道进行频域仿真，得到待测信号传输通道的S参数；根据差分插入损耗和参考信号的差分插入损耗得到插入损耗偏差值；根据输入信号的上升时间、输入信号的单位间隔时间得到输入信号的电压值；根据插入损耗偏差值和输入信号的电压值得到综合多次反射值；根据输入信号的电压值、差分插入损耗和差分回波损耗得出综合回波损耗；利用综合多次反射值和综合回波损耗评判信号通道的传输性能，通过引入新的参数指标能够直观地反映出差分信号在传输过程中模态转换程度的同时，还能够通过这两个参数指标的大小来评估眼图的质量。
Description
技术领域
本发明涉及信号通道分析领域，尤其是一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法。
背景技术
如今电子设备的更新周期在不断缩减，而在每一次的信号传输通道设计中，需要不断去完善信号传输通道的完整性，如果在电子设备的设计阶段就能尽早确定该问题，这就会大大提高产品的一次通过率，保证产品的成型率。
随着信号传输速率的不断提高，影响信号完整性的因素不再单一且独立，不能仅凭工程师的直觉和经验来评判信号的完整性，因此，针对信号完整性而发展起来的仿真技术就显得日益重要了。差分信号传输是一种区别于单端信号传输的传输技术，但是又和单端信号传输紧密相关，它是由两个单端信号组成的，两个单端信号传输一对振幅相同、相位相反的电信号，同时，单端信号的幅值可描述为共模信号和差分信号的叠加，即：
其中，VP和Vn表示一对差分信号中所包含的两个单端信号，Vcomm表示共模信号的，Vdiff表示差模信号，因此，差分信号在传输过程中会出现一种差分能量向共模能量转换的现象，这种现象被称为模态转换，模态转换是评估一个传输通道性能优劣的指标，主要衡量差分信号通道的对称性，模态转换越小，说明该信号通道对称性越好，但是对于一个完整的信号通道来说仅仅评判模态转换并不能很好的表示出传输通道的性能。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法，本发明的技术方案如下：
一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法，包括以下步骤：
对待测信号传输通道进行频域仿真，得到所述待测信号传输通道的S参数，所述S参数包括差分插入损耗和差分回波损耗；
根据所述差分插入损耗和参考信号的差分插入损耗得到插入损耗偏差值；
根据输入信号的高电平的上升时间和输入信号的单位间隔时间得到输入信号的电压值；
根据所述插入损耗偏差值和所述输入信号的电压值得到综合多次反射值；
根据所述输入信号的电压值、所述差分插入损耗和所述差分回波损耗得出综合回波损耗；
利用所述综合多次反射值和所述综合回波损耗评判信号传输通道的传输性能，当所述综合多次反射值和所述综合回波损耗的数值越大则所述待测信号传输通道的传输性能越好。
其进一步的技术方案为，所述插入损耗偏差值的计算公式为：
ILD(f)＝S21(f)-ILfit(f)；
其中，S21(f)是S参数在频点f处输入端口至输出端口的差分插入损耗； ILfit(f)是参考信号在频点f处的差分插入损耗。
其进一步的技术方案为，所述输入信号的电压值的计算公式为：
其中，Tr是输入信号的高电平的上升时间；Tb是输入信号的单位间隔时间， f为频点。
其进一步的技术方案为，所述综合多次反射值的计算公式为：
其中，fmax是在提取S参数时的最大频率值，ILD(f)是在频点f处的插入损耗偏差值，λinput(f)是在频点f处的输入信号的电压值。
其进一步的技术方案为，所述综合回波损耗的计算公式为：
其中，S21(f)是S参数在频点f处输入端口至输出端口的差分插入损耗， S11(f)是S参数在频点f处的输入端口的差分回波损耗，S22(f)是S参数在频点 f处的输出端口的差分回波损耗，fmax是在提取S参数时的最大频率值，λinput(f) 是在频点f处的输入信号的电压值。
本发明的有益技术效果是：通过引入新的参数指标IMTR和IMRL，能够直观地反映出差分信号在传输过程中模态转换程度的同时，还能够通过这两个参数指标的大小来评估眼图的质量。
附图说明
图1是本申请的方法流程图。
图2是本申请的SERDES链路模型的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法，方法步骤如图1所示。
对待测信号传输通道进行频域仿真，得到待测信号传输通道的S参数，待测信号传输通道是指通道内信号的上升时间小于信号传输的六倍时延的高速通道，S参数的全称是Scatter参数，即散射参数，它描述了传输通道的频域特性，在进行串行链路信号完整性分析的时候，获得传输通道准确的S参数是很重要的一个环节。
通过分析S参数，信号完整性工程师能观察到传输通道几乎全部特性，包括信号完整性关注的反射、串扰、损耗等，在本申请中，通过分析S参数得到差分插入损耗和差分回波损耗。
首先计算得到插入损耗偏差值ILD(f)和输入信号的电压值λinput(f)：
ILD(f)＝S21(f)-ILfit(f)；
其中，S21(f)是S参数在频点f处输入端口至输出端口的差分插入损耗； ILfit(f)是参考信号在频点f处的差分插入损耗，参考信号是一种基准信号，可以从以太网标准协议准802.3-2015_SECTION6中的目录抬头85中直接得到，通过参考信号作为标准值，计算得到S21(f)的数值偏差了多少。
其中，Tr是输入信号的高电平的上升时间，上升时间指的是高电平 10％～90％的时间段或20％～80％的时间段，需要指出的是，两个时间段任选其一，但需保证在整个过程中采用同一个时间段；Tb是输入信号的单位间隔时间。
则综合多次反射值IMTR的计算公式为：
其中，fmax是在提取S参数时的最大频率值。
综合回波损耗IMRL的计算公式为：
其中，S21(f)是S参数在频点f处输入端口至输出端口的差分插入损耗， S11(f)是S参数在频点f处的输入端口的差分回波损耗，S22(f)是S参数在频点f处的输出端口的差分回波损耗。
差分信号是一种四端口信号，通过等效划分为二端口信号，即输入端1和输出端2，S11(f)表示为在输入端口1上的差分回波损耗，S22(f)表示为在输出端口2上的差分回波损耗，S21(f)表示为输入端口1至输出端口2的差分回波损耗。
下面举出一种实施例，来实际对比分析回波损耗、插入损耗、眼高、眼宽、 IMTR和IMRL。
设计一块实验板，板材选用FR-4,该实验板中设计有三组高速差分信号线，即三组信号传输通道，其差分阻抗均为100ohm，分别命名为LINE1、LINE2、 LINE3。
设计一块对照板，选择介电常数DK和介质损耗因子DF更低的板材，在对照板中设计有两组高速差分信号线，分别命名为LINE4、LINE5，其中LINE4 的阻抗大小为75ohm，LINE5的阻抗大小为90ohm，LINE4和LINE5在对照板内的走线要严格做好两组高速差分信号线的等长，避免出现因偏斜造成模态转换问题的出现。
利用仿真工具Slwave提取这五组高速差分信号线的S参数。
利用仿真工具SystemSl搭建SERDES链路模型，SERDES链路模型如图2 所示，导入五组高速差分信号线的S参数，获取时域仿真结果，观察上述五组高速差分信号线的时域仿真指标：眼高和眼宽，并进行对比分析。
按照以下指标记录上述五组高速差分信号线的仿真结果：
一、回波损耗：回波损耗是衡量信号传输通道性能的关键标准，它能测量信号在不连续处反射回来多少能量，能量的向后反射不仅意味着向前传输的能量减少，而且向后传播的能量还可能引起多次反射，因为它每次经过不连续处都会反射，在这些后续反射中，第2、4、6次等偶数次的反射将会向通道的接收器发送噪声，从而导致接收端的眼图模糊。
在0-20GHz的范围内，提取实验板和对照板中五组高速差分信号线的S参数，观察它们在频点为5GHz时的回波损耗，结果如表1所示。
表1五组信号线在5GHz处的回波损耗值
由表1可知，五组信号线的大小关系为SLINE1＜SLINE5＜SLINE2＜SLINE4＜SLINE3。
二、模态转换：观察五组信号线在5GHz处的模态转换SCD，结果如表2 所示。
表2五组信号线在5GHz处的SCD
由表2可知，大小关系为SCDLINE2≈SCDLINE3≈SCDLINE4＜SCDLINE5＜SCDLINE1。
三、眼图：设置信号仿真速率为10Gbps，首先观察信号LINE1、LINE2、LINE3的眼高、眼宽，以此作为标准，信号眼图从好到差的排名是：LINE3、 LINE2、LINE1。再进行LINE4、LINE5的时域仿真，并将其结果与前三个信号的眼图结果做对比，可知LINE4的眼图质量比LINE3的好；LINE5的眼图质量比LINE1的好，记录它们的眼高和眼宽：
表3五组信号线的眼高、眼宽
| 信号线 | LINE1 | LINE2 | LINE3 | LINE4 | LINE5 |
| 眼高(:mv) | 190 | 171 | 224 | 252 | 210 |
| 眼宽(:UI) | 0.40 | 0.42 | 0.40 | 0.41 | 0.41 |
四、IMTR：其排序为LINE1＜LINE2＜LINE4＜LINE3＜LINE5，详细结果见表4。
表4五组信号线的IMTR值
五、IMRL：其排序为LINE1＜LINE2＜LINE4＜LINE3＜LINE5，详细结果见表5。
表5五组信号线的IMRL值
通过上述对比试验可以清晰的看出，新增的两个衡量信号传输通道优劣的参数指标，能进一步凸显S参数中各指标之间的内在联系。
通过对比LINE4和LINE3可知，回波损耗较低的信号(LINE4)的眼图质量比回波损耗高的信号(LINE3)好；但在对比LINE1和LINE5时，出现了相反的结论，虽然LINE5的回波损耗比LINE3的大，但是LINE5的眼图质量却比LINE3的好，由此需要在此引入新的参数指标。
通过计算LINE3和LINE5的IMTR和IMRL，可知，无论是IMTR还是 IMRL，LINE3的值均小于LINE5的值，结合两个信号传输通道的SCD参数，直观的发现这两个指标能较好地体现出差分信号在传输过程中差模转共模的程度，数值越大，模态转换的程度越低，信号眼图的质量越好。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对待测信号传输通道进行频域仿真，得到所述待测信号传输通道的S参数，所述S参数包括差分插入损耗和差分回波损耗；
根据所述差分插入损耗和参考信号的差分插入损耗得到插入损耗偏差值；
根据输入信号的高电平的上升时间和输入信号的单位间隔时间得到输入信号的电压值；
根据所述插入损耗偏差值和所述输入信号的电压值得到综合多次反射值，所述综合多次反射值的计算公式为
其中，fmax是在提取S参数时的最大频率值，ILD(f)是在频点f处的插入损耗偏差值，λinput(f)是在频点f处的输入信号的电压值；
根据所述输入信号的电压值、所述差分插入损耗和所述差分回波损耗得出综合回波损耗，所述综合回波损耗的计算公式为
其中，S21(f)是S参数在频点f处输入端口至输出端口的差分插入损耗，S11(f)是S参数在频点f处的输入端口的差分回波损耗，S22(f)是S参数在频点f处的输出端口的差分回波损耗，fmax是在提取S参数时的最大频率值，λinput(f)是在频点f处的输入信号的电压值；
利用所述综合多次反射值和所述综合回波损耗评判信号传输通道的传输性能，当所述综合多次反射值和所述综合回波损耗的数值越大则所述待测信号传输通道的传输性能越好。
2.根据权利要求1所述的一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法，其特征在于，所述插入损耗偏差值的计算公式为：
ILD(f)＝S21(f)-ILfit(f)；
其中，S21(f)是S参数在频点f处输入端口至输出端口的差分插入损耗，ILfit(f)是参考信号在频点f处的差分插入损耗。
3.根据权利要求1所述的一种通过差分信号模态转换分析高速通道的方法，其特征在于，所述输入信号的电压值的计算公式为：
其中，Tr是输入信号的高电平的上升时间；Tb是输入信号的单位间隔时间，f为频点。
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