学习笔记之串扰溯源

winniewei 提交于 周三, 03/13/2019
学习笔记之串扰溯源

作者:姜杰  一博科技高速先生团队队员

炯炯有神的眼图突然塌陷,通道中出现诡异误码,致命振铃,为何突然浮现?是谁让信号质量一落千丈?是神秘的诅咒,还是无法逃脱的宿命?恐怖变化的背后究竟隐藏着什么惊人的秘密?!更多内容,欢迎来到本期文章——串扰溯源。
 
提到串扰,防不胜防,令人烦恼。不考虑串扰,仿真波形似乎一切正常,考虑了串扰,信号质量可能就让人不忍直视了,于是就出现了开头那惊悚的一幕。下面就来说说串扰是怎么产生的。

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所谓串扰,是指有害信号从一个传输线耦合到毗邻传输线的现象,噪声源(攻击信号)所在的信号网络称为动态线,被干扰的信号网络称为静态线。串扰产生的过程,从电路的角度分析,是由相邻传输线之间的电场(容性)耦合和磁场(感性)耦合引起,需要注意的是串扰不仅仅存在于信号路径,还与返回路径密切相关。

以两条存在耦合的均匀微带线为例,假设耦合线传输时延远大于信号前沿的空间延伸,先来看看容性耦合噪声的产生过程。相信看过前面两期电容专题文章的各位应该还记得,相邻的两个导体(传输线也不例外)会组成电容,在攻击信号(简化为线性的上升沿)空间延伸区域,变化的电压将产生耦合电流流入静态线。

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为了方便分析,将传输线简化为一系列电容。由于耦合电流在静态线上各方向感受到的阻抗相同,于是兵分两路,分别往前、后两个方向等量传播。如下图示,红色为后向电流,流向近端;绿色为前向电流,流向远端,与动态线上攻击信号的传输方向一致。

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开始阶段,动态线上攻击信号入射,静态线的近端会同步产生容性耦合电流,即静态线的近端串扰与攻击信号同时产生,从0逐步增加,与此同时,耦合产生的前向电流还未到达远端,所以没有远端串扰产生。攻击信号沿动态线继续传播,上升沿区域产生的后向电流持续流回近端,当上升沿传输一个饱和长度后,近端电流达到稳定值,前向电流与攻击信号继续向远端传播。当攻击信号到达远端端接电阻后,远端串扰噪声同时到达并持续时间RT,此后,虽然不再产生新的耦合电流噪声,但静态线信号路径上仍未到达近端的后向电流还在继续返程之旅,持续时间与传输线时延TD一致,然后下降至0。由于静态线上的容性耦合电流是从信号路径流到返回路径,所以在近端和远端的端接电阻器上均产生正向的电压。

感性耦合的分析思路与容性耦合类似,由于两条耦合传输线之间存在互感,在攻击信号上升沿区域,变化的电流在静态线上产生感应电动势,进而形成感性耦合电流。

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分析感性耦合过程的难点在于确定耦合电流的方向,关键是理解楞次定律:“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”,即感应电流的效果总是反抗引起它的原因。好吧,听起来有点拗口,我再重复一遍:吃葡萄不吐葡萄皮,不吃葡萄倒吐葡萄皮。如下图所示,动态线上攻击信号的电流回路是顺时针的,那么在静态线上产生的感应电流的回路将是逆时针的。

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回到传输线的零阶模型,简化为一系列的电感。如下图示,红色为后向电流回路,由静态线信号路径流到返回路径,绿色为前向电流回路,从返回路径流到信号路径。前向移动时,感性耦合噪声与攻击信号同步,并且在每一步都会耦合出更多的噪声电流,远端噪声随着耦合长度增加而增大。

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尽管分析串扰现象的时候我们从容性耦合与感性耦合两个方面分开讨论,但实际上两种耦合是同时发生的。近端感性噪声电流与容性噪声电流的特征类似,方向相同,所以近端的容性噪声和感性耦合噪声相叠加,远端的容性噪声和感性噪声方向相反,净噪声是二者之差,最终呈现的形式如下:

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近端串扰电压幅值:
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远端串扰电压幅值:
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其中,Vinput表示动态线上攻击信号电压,CmL和LmL分别表示耦合线单位长度的互容和互感;CL和LL表示信号路径上单位长度的自容和自感,存在于信号路径与回流路径之间;Len表示走线长度;v表示信号传播速度;RT表示信号上升时间。

来源:一博自媒体

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