CN1220336C - 高速数据通信系统设计中双绞线回波损耗的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高速数据通信系统设计中双绞线回波损耗的模拟方法。它首先建立新的回波损耗模型，其中引入结构回损，获得更符合实际的回波损耗的幅度信息和相位信息，然后对这些信息进行等效电路元件的设计，以便将其嵌入整个设计系统，进行系统仿真。本发明可大大缩短系统设计周期，提高设计的准确性。

Description

高速数据通信系统设计中双绞线回波损耗的模拟方法

技术领域

本发明属通信技术领域，具体涉及一种高速数据通信系统设计中双绞线回波损耗的模拟方法

背景技术

随着计算机网络技术和网络设备的不断发展，网络设备之间物理信道的问题越来越重要。目前，物理信道主要有双绞线、光纤、同轴电缆等几种。其中价廉物美的双绞线是架设100米范围局域网的一个极佳选择。因此100BASET以及1000BASET采用五类以及五类以上双绞线作为物理传输介质。

但是随传输距离的增加，五类双绞线上信号受到的各种干扰也随之上升，从而影响了整个系统的性能。对于当今的研究热点——千兆以太网而言，这种影响尤为严重。由于在五类线上传输的信号频谱达到近100Mhz，双绞线对信号的衰减、回波、串扰等干扰因素在很大程度上制约着整个收发系统的性能。

对于网络设备接收/发送系统的设计者而言，希望有一个能够精确反映双绞线上各种干扰因素对传输信号影响的模型。通过这个模型，可以精确地了解传输信号在双绞线上的失真情况，从而可以相应地调整接收端数字均衡器的设计，更好的消除双绞线上干扰因素对传输信号影响。而且，希望这个模型能够在相当程度上模拟现实中的双绞线，从而可以在计算机上将这个模型嵌入整个收发系统，进行整体系统的仿真。通过仿真，可以提取误码率等许多有关系统可靠性的关键参数。

如果在网络设备接收/发送系统的计算机辅助设计的阶段，将一个精确的双绞线模型嵌入系统，就可以大大的提高设计的效率，增强设计者对自己所设计系统的信心，缩短设计周期。近年来，工业界对双绞线的性能制定过相应的协议，也提出了一些比较粗糙的模型。例如，在ANSI/TIA/DIA-568-A和ANSI/TIA/DIA-568-B协议中，对五类和超五类的双绞线的插入损耗，回波损耗，近端串扰以及远端串扰等关键指标提出了相应的模型，并广泛被工业界所接受。但是此模型只能用于生产厂家检验双绞线的质量，将这样的一个模型作为仿真模型嵌入整个系统进行验证是远远不够的。它离系统设计者所期望的仿真模型还有如下差距：

协议中的模型只是一个简单的数字模型，不能嵌入系统进行系统级的仿真。

作为性能评价的标准，该模型提供了关于插入损耗，回波损耗，串扰损耗的幅度信息，这些信息可以用来判别双绞线的性能，并且可以让系统设计者定性的了解双绞线对信号传输的影响。但是，作为频域中的函数，由于它缺乏相位信息，它不能比较近似的反映现实中的双绞线对信号的具体影响。

在计算机的局域网络系统设计中，双绞线的回波损耗模拟是一个重要问题。所谓回波损耗，是指在双绞线上由于阻抗失配造成的折射能量与入射能量的比例。在协议ANSI/TIA/DIA-568-A和ANSI/TIA/DIA-568-B(以下简称协议)中已经对双绞线的回波损耗进行建模，具体如下：

Return_Loss＝15dB                1Mhz＜f＜20Mhz      (1)

$\mathrm{Return}\_\mathrm{Loss}=(15-10*\log \left(\frac{f}{2}\right))\mathrm{dB}---20\mathrm{Mhz}<f<100\mathrm{Mhz}---\left(2\right)$

这里的f为频率。这是一个幅度模型，它可以为生产厂家提供一个检测的标准，也可以定性的告诉双绞线的使用者信号在双绞线上回波损耗大小的大体性能。但是作为用于高频系统级仿真的模型，它是不符合要求的。作为一个可以用来嵌入整个设计系统进行功能仿真的模型，它不仅要提供信号在双绞线上的回波损耗的幅度情况，而且要提供在接受端观察到的回波损耗的相位信息。对于网络设备收发系统的设计者而言，这两样都是必须的，缺一不可的。而现今的模型只能让我们评估双绞线上的信号回波损耗的大小，显然是不满足要求的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种在计算机网络系统设计中，便于进行高频系统级仿真的双绞线回波损耗的模拟方法。

本发明提出的双绞线回波损耗模拟方法，首先是建立新的回波损耗模型，得到回波损耗的幅度信息和相位信息，然后对幅度信息和相位信息进行等效电路元件的设计，以便将其嵌入整个设计系统，进行系统仿真。

回波损耗模型的建立：

对于电缆测试系统(见图1所示)，网络分析仪可以测量反射信号的能量，Z_r是双绞线的终端负载。P_n是指在接收端的反射系数，其实也就是反射能量于入射能量的比例，P_r是指由于双绞线与负载的失配造成的反射系数。在网络分析仪端看到的回波损耗的电压可以从基本的传输线理论推导而来，其回波幅度为：

            RL＝-20log₁₀(|Pn|)                                (3)

这里，假设双绞线电缆是均匀的，在这个模型中，输入反射系数Pn由下式得到：

$\mathrm{Pn}=\frac{(Z_{\mathrm{in}}-Z_n)}{(Z_{\mathrm{in}}+Z_n)}---\left(4\right)$

这里，Zn是电源的输入阻抗，Zin是看进去的输入阻抗。可见，回波的大小与电源的阻抗，以及输入阻抗有关系。

实际中，五类双绞线不可能是完全均匀的，线上任何一处缺陷都可能引起传输信号的反射。为了使模型更好的反映实际中的双绞线的性能，本发明在由理论推导而来的双绞线模型中引入了双绞线结构回波损耗的幅度影响，具体模型如下：

${\mathrm{RL}}_{\mathrm{cable}}=\sqrt{{\left(\mathrm{RL}\right)}^2+{\left(\mathrm{DRL}\right)}^2}---\left(5\right)$

这里DRL是双绞线的结构回波损耗的幅度，而RL是均匀双绞线的回波损耗的幅度。RL_cable就是非均匀的双绞线的回波损耗的幅度。

本发明通过仿真一根阻抗匹配的100米的五类双绞线的回波损耗来观察引入结构回波损耗的作用，仿真结果见图2和图3所示，本发明还仿真了一根阻抗匹配的150米的五类双绞线的回波损耗来观察引入结构回波损耗的作用，仿真结果见图4和图5所示。在图2和图4中，曲线是本发明的仿真结果，直线是协议中的回波损耗模型结果。本发明的结果好于协议模型，这是因为在协议中考虑的是回波损耗的最差情况。可见，加入了结构回损后的模型与实际的回波损耗的幅度趋势更加一致。结构回波损耗幅度的数据来源很多，既可以是生产厂商提供的测试数据，也可以使用协议ANSI/TIA/DIA-568-A和ANSI/TIA/DIA-568-B中提供的最坏情况下的结构回波损耗数据。由于结构回波损耗的相位没有一般性的规律。本发明的回波损耗的相位采用均匀的双绞线的回波损耗的相位。在实际中，加入了连接器后的信道回波损耗，很大程度上由连接器的性能决定。一般的传输信道是由电缆和连接器构成，由上述模型(3)-(5)式，可以计算在任意长的电缆中插入任意连接器的信道的回波损耗的幅度和相位。

本发明进一步工作是将由上述模型得到的回波损耗的幅度信息以及相位信息等效为一个滤波器。等效的步骤如下：

(1)将得到的幅度和相位信息进行处理，即采用取它们的包络的方法，使它们的幅频曲线和相频曲线尽量光滑和连续。

(2)用matlab函数，求得处理后的幅频曲线和相频曲线的最佳传递函数，具体为：

$H\left(s\right)=\frac{B\left(s\right)}{A\left(s\right)}=\frac{b\left(1\right)s^m+b\left(2\right)s^{m-1}+b\left(3\right)s^{m-2}+..+b(m+1)}{a\left(1\right)s^n+a\left(2\right)s^{n-1}+a\left(3\right)s^{n-2}+..+a(n-1)}---\left(6\right)$

这里，b(1)，b(2)，b(3).....b(m+1)，a(1)，a(2)，a(3).....a(n+1)为滤波器的系数，s＝j×2×π×f。一般情况下，5到10阶的滤波器足够了。

由上述传递函数就可以直接得到仿真所需要的滤波器。该滤波器系数的可通过求取如下方程的最小值得到：

$\underset{a,b}{\min }\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{wt}\left(k\right)\&times;{|h\left(k\right)\&times;A\left(w\left(k\right)\right)-B\left(w\left(k\right)\right)|}^2---\left(7\right)$

在式子中，w是频率的函数，A(w(k))，B(w(k))是我们要求的系数，h((k))用上述模型(5)得到的一组回波损耗的值。

由于得到的幅频和相频曲线都是光滑连续的，经过上述处理后即可得到等效电路。

本发明建立了新的回波损耗模型：在均匀电缆的假设的基础上加入了结构回波损耗，并采用取包络的方法，将双绞线的回波损耗的幅度和相位用带通滤波器来等效，得到了很好的效果。它可以即插即用的用于系统仿真，给网络系统的设计者带来极大的方便。

本发明为设计人员提供一个比现今工业用模型更完整，可靠的双绞线回波损耗模型，为调整均衡器，线驱动器的设计提供了良好的基础，并且可以直接等效为仿真软件可识别的电路元件，从而可以嵌入整个收发系统，进行系统级的仿真。直接验证数字均衡器等与传输介质有关的电路的性能，从而加快设计周期，提高系统设计的可靠度。本发明可以自动模拟在各种工艺情况下的双绞线对信号的影响，从而考验收发系统在各种不同生产厂家的五类双绞线介质上传输数据的可靠性。通过模拟大量的五类双绞线，我们可以检验所设计的系统适应各种各样的五类双绞线的能力，并对系统的设计，特别对信号恢复部分例如数字均衡器进行有效的评估，修改。从而可以大大的缩短系统设计周期，提高设计的准确性和信心。

附图说明

图1为电缆测试示意图。

图2为对于100米的五类双绞线，考虑结构回损得到的电缆回波损耗。

图3为对于100米的五类双绞线，不考虑结构回损得到的电缆回波损耗。

图4为对于150米的五类双绞线，考虑结构回损得到的电缆回波损耗。

图5为对于150米的五类双绞线，不考虑结构回损得到的电缆回波损耗。

图6为由连接器和双绞线构成的信道。

图7为信道的回波损耗的幅度与协议的比较。

图8为信道的回波损耗的相位。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例：

对于一个由两个连接器和一根双绞线构成的信道(图6所示)，其中五类双绞线的长度为100米，其特征阻抗的高频渐进值为103欧姆，采用本发明引入了结构回波损耗的模型(5)式，并设计成相应的等效滤波器，滤波器的阶数为8阶。五类双绞线和连接器的基本参数如下：

五类双绞线：

1时间延迟(ns/100m)：

$\mathrm{\&tau;}=\mathrm{cons}+\frac{36}{\sqrt{f}}---\left(5\right)$

在式子中，cons是一个时间延迟的常数，针对五类双绞线而言，它的最大取值为：cons＝534ns。

2相位常数(rad/m)：

$\mathrm{\&beta;}=2\mathrm{\&pi;f}\&times;\frac{\mathrm{\&tau;}}{{10}^5}---\left(6\right)$

3衰减常数(Nep/m)：

$\mathrm{\&alpha;}=(1.967\sqrt{f}+0.023f+0.005/\sqrt{f})\&times;0.01/8.686---\left(7\right)$

4传播常数(rad/m)：

          γ＝α+jβ                                   (8)

5特征阻抗(欧姆)

$Z_0=Z_{\mathrm{kf}}(1+0.055\frac{(1-j)}{\sqrt{f}})---\left(9\right)$

在本实例中，Z_kf＝103。l＝100。

连接器基本参数：

1时间延迟(ns/100m)：

           τ＝570                                     (10)

2相位常数(rad/m)：

$\mathrm{\&beta;}=2\mathrm{\&pi;f}\&times;\frac{\mathrm{\&tau;}}{{10}^5}---\left(11\right)$

3衰减常数(Nep/m)：

$\mathrm{\&alpha;}=\left(0.4\sqrt{f}\right)/8.686---\left(12\right)$

4传播常数(rad/m)：

         γ＝α+jβ                                       (13)

5特征阻抗(欧姆)

$Z_0=Z_{\mathrm{cx}}(1+0.055\frac{(1-j)}{\sqrt{f}})---\left(14\right)$

这里，f的单位为MHZ。Z_cx＝330欧姆，连接器的长度l_connector＝6厘米。

模型计算了匹配情况下的回波损耗的幅度并且与前述公认的协议中的模型相对比(图7所示)。并且给出了新模型得到的相位数据(图8)。在图7中，曲线是通过理论推导得到的回波损耗的幅度，曲线下面的线是本发明等效滤波器所给出的幅度，而最下方的线是协议给出的最差情况下的回波损耗。在这里，我们的模型的结果比最差情况好了近10个dB，这个是合理的：由于在实际中，双绞线的特征阻抗不是一定为100欧姆，随着特征阻抗值偏离100欧姆，双绞线的回波损耗情况会变得更差。在工程上，五类双绞线的特征阻抗可以从85欧姆变至115欧姆。在极限情况下，新模型与协议的最差情况吻合的很好。通过比较，新模型不仅在理论上是合理的，而且在极限情况下符合协议中最差电缆的情况。

在图8中，变化剧烈的曲线是模型计算得到的回波损耗的相位，光滑的曲线是由滤波器得到的回波损耗的相位数据。

下面的表中，给出了等效滤波器的参数：

A                 1e+5	B               1e+4
		0.00001000000000	0.00000000000038
-0.00009457005940	-0.00000000025315
		0.05474333994189	0.00000015266257
-0.52768180440521	-0.00000075201280
		-2.13812860615275	0.00080539641556
	0.00315960326925
			-0.13874035143569
	-1.65696536499743

Claims (2)

1、一种高速数据通信系统设计中双绞线回波损耗的模拟方法，其特征在于建立了双绞线回波损耗模型，具体如下：

${\mathrm{RL}}_{\mathrm{cable}}=\sqrt{{\left(\mathrm{RL}\right)}^2+{\left(\mathrm{DRL}\right)}^2}----\left(5\right)$

这里，DRL是双绞线的结构回波损耗，RL为均匀双绞线的回波损耗：

          RL＝-20log₁₀(|Pn|)                       (3)

$\mathrm{Pn}=(Z_{\mathrm{in}}-Z_n)/(Z_{\mathrm{in}}+Z_n)----\left(4\right)$

其中，Zn是电源的输入阻抗，Zin是看进去的输入阻抗，RL_cable为非均匀的双绞线的回波损耗幅度，Pn为输入反射系数。

2、根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于将模型(3)-(5)式得到的回波损耗的幅度和相位信息等效为一个滤波器，具体步骤如下：

(1)将得到的幅度和相位信息，采用取它们包络的方法，使它们的幅频曲线和相频曲线尽量光滑和连续；

(2)用matlab函数，求得处理后的幅频曲线和相频曲线的最佳传递函数：

$H\left(s\right)=\frac{b\left(1\right)s^m+b\left(2\right)s^{m-1}+b\left(3\right)s^{m-2}+..+b(m+1)}{a\left(1\right)s^n+a\left(2\right)s^{n-1}+a\left(3\right)s^{n-2}+..+a(n+1)}----\left(6\right)$

这里，b(1)，b(2)，b(3)....b(m+1)，a(1)，a(2)，a(3)....a(n+1)为滤波器的系数，s＝j×2×π×f，m、n为滤波器的阶数，取5-10阶，f为频率。

Images