CN1220337C - 高速数据通信系统设计中双绞线远近端串扰损耗的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高速数据通信系统设计中双绞线远近端串扰损耗的模拟方法。它首先建立新的远近端串扰损耗模型，获得更符合实际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中，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远近端串扰损耗的模拟方法

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远近端串扰损耗的模拟方法。

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。但是这个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，该模型所提供的关于插入损耗，回波损耗，串扰损耗的幅度信息已经足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，由于其缺乏相位信息，它不可能比较近似的反映现实中的双绞线对信号的具体影响。

在计算机网络系统设计中，双绞线的串扰损耗的模拟是一个重要的问题。串扰损耗分为近端串扰和远端串扰。近端串扰，是指在本地接收机接收到相邻双绞线的近端发射端发送信号耦合过来的信号的能量于它所接收到的有用信号的能量的比例。远端串扰，是指在本地接收机接收到相邻双绞线的远端发射端发射的信号耦合过来的信号的能量于它所接收到的有用信号的能量的比例。在协议ANSI/TIA/DIA-568-A和ANSI/TIA/DIA-568-B(一下简称协议)中已经建立了对于100米长的单根电缆的远近端回波损耗模型，具体如下：

近端串扰：NEXT＝60-15*log(f)                               (1)

远端串扰：FEXT＝58-20*log(f))                              (2)

这是一个幅度模型，该模型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远近端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远近端串扰损耗的幅度情况，而且要提供在远近端串扰损耗的的相位信息。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。

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远近端串扰损耗的模拟方法。

本发明提出的双绞线远近端串扰模拟方法，首先是建立新的串扰损耗模型，得到远近端串扰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。

串扰是一个噪声，在理论上一般只能衡量噪声功率与信号功率的比例(信噪比)。协议中的模型其实就是一个功率谱的密度模型。我们想得到的是一个串扰电压传递函数与电缆长度，信号频率的关系。为此，功率谱模型是不满足要求的。必须要建立一个新的模型来评估双绞线远近端串扰的幅度和电压。

我们首先建立串扰的集总模型。

假设将两根对应的长为L的电缆均匀分成n段，每小段的耦合系数为C(k，f)。k＝1，2，……n。等效电路如图1所示。远近端的串扰电压就是各个小段的串扰的贡献的总和。于是可以求得近端和远端串扰电压为：

$V_{\mathrm{NEXT}}\left(f\right)=j\×2\×\mathrm{pi}\×f\×{\mathrm{\Σ}}_{k}C(k,f)\×V_0\×e^{-2\×r\×x}---\left(3\right)$

$V_{\mathrm{FEXT}}\left(f\right)=j\×2\×\mathrm{pi}\×f\×e^{-r\×l}\×{\mathrm{\Σ}}_{k}C(k,f)\×V_0---\left(4\right)$

这里， $j=\sqrt{-1},$ f为频率，l是双绞线长度，x为该段引端点的距离，r为传播常数，V₀为干扰源电压。Pi为圆周率Л的拼音写法。

实际上，双绞线的各个小段的耦合系数C(k，f)对应于不同的频率，它的分布是不同的。它们的分布满足如下统计规律：

数学期望：E(C(x，f))＝0                               (5)

均差：    E(C(x，f)C(y，f))＝k₁δ(x-y)               (6)

可见，耦合系数C(x)随x的分布是相互独立的。从公式(6)可以得到耦合系数的方差：

E(C²(x，f))＝k₁                                       (7)

D(C(x，f))＝E(C²(x，f))-E(C(x，f))²＝k₁              (8)

于是，本发明采用不同的正态分布来生成双绞线每个小段的耦合参数。这样的处理是符合实际的。因为在现实生长中，由于种种原因，双绞线是不均匀的。

本发明可以生成很多跟不同的虚拟双绞线嵌入系统，从而检验设计的收发系统对不同工艺的五类双绞线的适应能力。通过上述模型，就可以得到在系统的接收端收到的干扰电压的影响。它既有幅度信息，又有相位信息。同时可以反过来将它的幅度信息与功率谱函数做比较，以检验模型的准确性。

本发明进一步工作是将从上述模型得到的回波损耗的幅度和相位等效为一个滤波器。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：

$H\left(s\right)=\frac{B\left(s\right)}{A\left(s\right)}=\frac{b\left(1\right)s^m+b\left(2\right)s^{m-1}+b\left(3\right)s^{m-2}+..+b(m+1)}{a\left(1\right)s^n+a\left(2\right)s^{n-1}+a\left(3\right)s^{n-2}+..+a(n+1)}---\left(9\right)$

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：

$\underset{a,b}{\min }\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wt}\left(k\right)\×{|h\left(k\right)\×A\left(w\left(k\right)\right)-B\left(w\left(k\right)\right)|}^2---\left(10\right)$

在式(10)中，w是频率的函数，A(w(k))，B(w(k))是所要求的系数，h((k))用上述模型得到的一组串扰损耗的值。

为了检验本发明模型(3)、(4)的正确性，我们用这个模型生成了500根电缆的近端串扰幅度数据和远端串扰的幅度数据，并且将他们与协议中的99％模型(就是功率谱模型)进行比较，结果如图2和图3所示。图中的曲线部分是本发明生成的500根双绞线的近端串扰的幅度。我们发现，只有4根电缆在某个频率上的近端串扰超过了99％所规定的最坏情况。换句话说，本发明得模型在宏观统计上是符和现今广泛使用的99％模型的。使用本发明的模型不仅可以得到某一根电缆的远近端串扰的幅度，也可以得到他们的相位。他们的相位也是符合宏观统计的规律的。为了进一步验证我们的模型，我们取得了一个厂家的某一根双绞线近端串扰的测量数据如图4和图5所示。数据虽然不是完全一致，但是他们之间还是存在着可比性的。通过比较，证实本发明在相当程度上是可以模拟现实中的双绞线的远近端串扰的。

本发明中，串扰损耗模型以基本的传输线理论以及协议ANSI/TIA/DIA-568-A和ANSI/TIA/DIA-568-B为基础，用正态分布来描述双绞线各段的耦合系数，使模型更符合实际。该模型可以生成各种性能的五类双绞线。这种五类双绞线都是我们的收发系统可能使用的。与现今在工程中所广泛应用的双绞线模型相比，它具有信息全(幅度和相位信息)，嵌入方便(等效成模拟软件可接受的电路元件)，灵活性高(可仿真各种情况)等优点。

本发明给1000BASET发送-接收模块设计人员提供一个比现今工业用模型更完整，可靠的双绞线模型。它不仅可以为设计者提供可靠的双绞线频响特性，从而调整他们的均衡器、线驱动器的设计，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。该模型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。通过这样的一个模型，我们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 远近端串扰的集总模型示意图。

图2 500根电缆近端串扰的幅度与99％模型的比较。

图3 500根电缆远端串扰的幅度与99％模型的比较。

图4 某双绞线生产厂的双绞线近端串扰幅度的测试数据。

图5 本发明生成的近端串扰幅度的数据。

图6 等效滤波器得到的近端串扰的幅度数据与计算得到的幅度数据的比较。

图7 等效滤波器得到的近端串扰的相位数据与计算得到的相位数据的比较。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例：

两对五类双绞线的长度为100米，它们的其他基本参数如下：

1、时间延迟(ns/100m)：

$\mathrm{\τ}=\mathrm{cons}+\frac{36}{\sqrt{f}}$

其中，cons是时间延迟常数，对五类双绞线而言，它的最大取值为：cons＝534ns。

2、相位常数(rad/m)：

$\mathrm{\β}=2\mathrm{\πf}\×\frac{\mathrm{\τ}}{{10}^5}$

3、衰减常数(Nep/m)：

$\mathrm{\α}=(1.967\sqrt{f}+0.023f+0.005/\sqrt{f})\×0.01/8.686$

4、传播常数(rad/m)：

           γ＝α+jβ

5、特征阻抗(欧姆)

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

在本例中，Z_kf＝100，l＝100米。

利用上述参数，可以求得两对双绞线间近端串扰电压的幅度和相位。并采用带通滤波器来等效，等效的比较结果如图6和图7所示。

其中滤波器的参数如下：

A	B
		1	1.3741
-0.9510	-213.2821
		1.7343e×e+004	2.3226×e+004
-7.3988×e+003	-1.5298×e+006
		9.0392×e+007	6.8491×e+007
-9.0453×e+006	-6.9768×e+008
		1.3267×e+011
3.5263×e+010

在图5中，圆点是滤波器得到的幅度结果，曲线是上面公式得到的幅度结果，在图6中，圆点是滤波器得到的相位结果，曲线是上面公式得到的相位结果，可见，它们吻合的比较理想。因此可以用较低阶数的滤波器来再现双绞线的串扰特性。

Claims (2)

1、一种高速数据通信系统设计中双绞线远近端串扰损耗的模拟方法，其特征在于建立了双绞线无近端串扰损耗模型，具体如下：

V_NEXT(f)＝j×2×pi×f×∑_kC(k，f)×V₀×e^-2×r×x    (3)

V_FEXT(f)＝j×2×pi×f×e^-r×l×∑_kC(k，f)×V₀      (4)

其中， $j=\sqrt{-1},$ l为双绞线长度，x为该段到双绞线的端部的距离，V₀为干扰源电压，r为传播常数，其中，每个小段的耦合系数C(k，f)，采用不同的正态分布来生成，V_NEXT(f)为近端串扰电压，V_FEXT(f)为远端串扰电压，f为频率，Pi为圆周率л的拼音写法。

2、根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于将由模型(3)和(4)式得到的远近端串扰的幅度信息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。

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