基于低通负群时延电路的高速互连传输信号延时均衡方法
阅读说明：本技术 基于低通负群时延电路的高速互连传输信号延时均衡方法 (High-speed interconnection transmission signal delay equalization method based on low-pass negative group delay circuit ) 是由 万发雨 顾韬琛 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于低通负群时延电路的高速互连传输信号延时均衡方法,采用传输系统实现高速互连传输信号延时均衡,传输系统为低通负群时延电路,低通负群时延电路包括逻辑门电路、高速电路等效电路网络、低通负群时延单元和输出端口；首先基于电路理论、微波网络理论实现有源低通负群时延电路群时延解析公式和电路综合公式。然后基于时域电路仿真和频域S参数仿真优化有源低通负群时延电路参数,设计、加工并在时域和频域进行性能测试,得到负群时延大、带宽理想、无损耗的PCB板级低通负群时延电路。最后通过低通负群时延电路对数字基带信号的时延进行均衡,达到改善高速PCB信号完整性的目的。(The invention discloses a high-speed interconnected transmission signal delay equalization method based on a low-pass negative group delay circuit, which adopts a transmission system to realize the delay equalization of a high-speed interconnected transmission signal, wherein the transmission system is the low-pass negative group delay circuit, and the low-pass negative group delay circuit comprises a logic gate circuit, a high-speed circuit equivalent circuit network, a low-pass negative group delay unit and an output port; firstly, an active low-pass negative group delay circuit group delay analytical formula and a circuit comprehensive formula are realized based on a circuit theory and a microwave network theory. And then optimizing the parameters of the active low-pass negative group delay circuit based on time domain circuit simulation and frequency domain S parameter simulation, designing, processing and performing performance tests in the time domain and the frequency domain to obtain the PCB board-level low-pass negative group delay circuit with large negative group delay, ideal bandwidth and no loss. And finally, the time delay of the digital baseband signal is equalized through a low-pass negative group time delay circuit, so that the aim of improving the integrity of the high-speed PCB signal is fulfilled.)
技术领域
本发明涉及微波工程技术领域，特别是一种基于低通负群时延电路的高速互连传输信号延时均衡方法。
背景技术
随着数字系统速度的提高、信号上升和下降时间的缩短，互连结构的密度和复杂度大幅度增加，高速数字系统中产生的信号完整性问题越来越突出。因高速问题带来的信号反射、过冲、下冲、振铃、串扰等严重影响系统的时延。因此时延问题在高速互连设计中最为关键，也是着重要解决的问题。低通负群时延电路可以减小信号在传输系统中产生的时延。为了补偿高速互连结构时延的变化，本专利提出基于低通负群时延电路的时延均衡器来解决高速信号失真的问题。
群时延是指窄带信号通过线性时不变传输系统时，信号包络所产生的时延大小。负群时延指的是群时延为负值这一异常的电磁波传输现象。在负群时延电路输出端的信号包络峰值可以比输入端的信号包络峰值提前出现(S.Müller，T.Reuschel，R.Rimolo-Donadio，Y.H.Kwark，H.Brüns and C.Schuster，″Energy-AwareSignalIntegrityAnalysis for High-Speed PCB Links，″IEEE Transactions onElectromagnetic Compatibility，vol.57，no.5，pp.1226-1234，2015)。低通负群时延电路是指群时延在直流到截止频率频段内为负的电路，而带通负群时延电路是指群时延在一定频段内为负的电路(F Wan，L Wang，Q Ji，B Ravelo，″Canonical transfer Function ofband-pass NGD circuit，″IET Circuits，Devices&Systems，vol.13，no.2，pp.13-21，2019)。高速互连结构可以传输数字基带信号，也可以传输调制信号。利用低通负群时延电路可以补偿数字基带信号时延从而解决失真问题。目前利用低通负群时延电路补偿高速数字信号时延的均衡技术理论还不成熟，特别是信号波形对均衡效果的影响机制还未见文献报道。目前高速互连传输高频调制信号已经到了毫米波频段，特别是5G通信的快速发展，超高速传输的时延问题日益严重，负群时延电路研究迫在眉睫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于低通负群时延电路的高速互连传输信号延时均衡方法，发明了一种高速互连传输信号延时均衡技术，对数字基带信号和模拟调制信号的时延进行均衡，提高了信号完整性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于低通负群时延电路的高速互连传输信号延时均衡方法，采用传输系统实现高速互连传输信号延时均衡，传输系统为低通负群时延电路，低通负群时延电路包括逻辑门电路、高速电路等效电路网络、低通负群时延单元和输出端口；低通负群时延单元包括第一电阻，第一电感和场效应管，高速电路等效电路网络包括等效电阻、等效电感和等效电容；其中，
逻辑门电路的输出端与等效电阻的一端连接、等效电阻的另一端与等效电感的一端连接，等效电感的另一端与等效电容的一端、第一电阻的一端、场效应管的栅极分别连接，等效电容的另一端接地，第一电阻的另一端与第一电感的一端连接，第一电感的另一端与输出端口、场效应管的漏极分别连接，场效应管的源极接地。
作为本发明所述的一种基于低通负群时延电路的高速互连传输信号延时均衡方法进一步优化方案，
其中，Rds是场效应管的漏源电阻，gm是场效应管的跨导，电阻和Rt＝Rs+Rld，Rs为逻辑门电路中的输出电阻，Cb为等效电容Cld，Lt为等效电感Lld，Lb是第一电感，Rb是第一电阻。
作为本发明所述的一种基于低通负群时延电路的高速互连传输信号延时均衡方法进一步优化方案，传输系统的传输函数表述如下：
G(s)是低通负群时延电路传输函数的拉普拉斯变换，a0、a1、a2和a3均代表中间变量，s是频率ω的拉普拉斯变换，Rb为第一电阻，Lb为第一电感，Rld为等效电阻、Lld为等效电感，Cld为等效电容。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
首先基于电路理论、微波网络理论实现有源低通负群时延电路群时延解析公式和电路综合公式。然后基于时域电路仿真和频域S参数仿真优化有源低通负群时延电路参数，设计、加工并在时域和频域进行性能测试，得到负群时延大、带宽理想、无损耗的PCB板级低通负群时延电路。最后通过低通负群时延电路对数字基带信号的时延进行均衡，达到改善高速PCB信号完整性的目的。在时域和频域进行均衡器均衡效果测试，分别从时域和频域的角度，对数字基带信号的衰减、失真、延时的均衡效果进行分析优化直到得到良好的均衡效果。
附图说明
图1为低通负群时延电路原理图。
图2为低通负群时延电路仿真结果；其中，(a)为群时延，(b)为反射系数，(c)为增益。
图3为低通负群时延电路对高速PCB传输延时均衡机理示意图；其中，(a)是输入信号经过干扰后输出失真信号的示意图，(b)为输入信号经过干扰后通过低通负群时延电路补偿后输出补偿信号的示意图。
图4为低通负群时延电路与传输线级联的原理示意图。
图5为高速电路结构的数字信号失真示意图。
图6为低通负群时延电路对传输信号均衡的方法原理；其中，(a)为幅值补偿，(b)为群时延补偿。
图7是低通负群时延电路对传输信号均衡的电路结构图。
图8是低通负群时延电路对传输信号均衡的时域仿真结果；其中，(a)为横坐标0-4ns，低通负群时延电路对传输信号均衡的时域仿真结果，(b)为图8中的(a)的横坐标0-1ns局部放大图。
图9是低通负群时延电路对传输信号均衡的频域仿真结果；其中，(a)为幅值补偿，(b)为群时延补偿。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
时延问题在高速互连设计中最为关键,也是着重要解决的问题，制约现代高速电路系统走向更高的频率。低通负群时延电路可以减小信号在传输系统中产生的时延。为了补偿高速互连结构时延的变化，本发明提出基于低通负群时延电路的时延均衡器来解决高速信号失真的问题，在时域和频域进行理论分析和电磁仿真。利用低通负群时延电路可以补偿数字基带信号时延从而解决失真问题，提高电路系统信号完整性。为高速电路中的延时问题与5G通信信道传输中的延时问题提供一种新的解决方案。
图1为低通负群时延电路结构示意图，低通负群时延电路可利用RL或RC电路结构实现，损耗可通过加三极管或射频放大器进行补偿，图1是一个两单元RC低通负群时延电路加射频放大器，可利用S参数网络模型或传输函数来分析该电路，该电路S参数公式如下所示：
其中，r是放大器反射系数，t是放大器增益，放大器隔离度简化为0；R0为特性阻抗，R、C分别为低通负群时延电路的电阻和电容，ω是频率，j是虚数单位，S21(jω)为电路的正向传输系数，也就是增益。
在DC频点(ω≈0)，其S参数模型如下所示：
其中，[S(0)]是频率ω为0时，S11、S12、S21、S22的值；
S11是低通负群时延电路的S参数矩阵中的第一行第一列元素；
S12是低通负群时延电路的S参数矩阵中的第一行第二列元素；
S21是低通负群时延电路的S参数矩阵中的第二行第一列元素；
S22是低通负群时延电路的S参数矩阵中的第二行第二列元素；
S11为低通负群时延电路的输出端口(端口2)匹配时，电路的输入端口(端口1)的反射系数；
S22为电路的输入端口匹配时，端口2的反射系数；
S12为端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；
S21为端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；
依据群时延的定义，群时延τ(ω)是传输相位对频率的导数：
是电路传输函数的相位；
其中传输相位为：
得到群时延在DC频点的解析公式：
τ(0)是频率为0Hz时，群时延的值；
由公式(5)可得群延时在直流频点是无条件为负，C越大，R越小，负群时延越大，
τ(ωc)＝0 (6)
τ(ωc)为频率为ωc时群时延的值，ωc为截止频率；
求公式(6)的根可以得到截止频率ωc：
群时延和增益公式可以分析电路参数对低通负群时延电路性能的影响，推导出理想负群延时性能下电路参数。设低通负群时延电路所需要的增益为g，群延时为τ0，τ0是指频率为0时的群时延值，τ0＝τ(0)，依据分析公式(2)和(5)得到公式(8)：
S21(0)为频率为0时的S21值；
通过公式(9)可得到电阻R和电容C的值：
图2为低通负群时延电路仿真结果，图2中的(a)为群时延，图2中的(b)为反射系数，图2中的(c)为增益。基于理论分析，在ADS电路仿真软件中仿真，结果如图2所示，群时延在DC-200MHz带宽内为负，称为低通负群时延电路，带宽达到200MHz，群延时大小为-280ps，反射系数小于-10dB，增益大于0dB。
图3-图5为低通负群时延电路对高速PCB传输延时均衡方法。在设计完成低通负群时延电路的基本结构之后，便可利用低通负群时延电路对高速信号进行均衡。低通负群时延电路对高速PCB传输延时均衡机理示意图如图3所示，图3中的(a)是输入信号经过干扰后输出受损信号的示意图，图3中的(b)为输入信号经过干扰后通过低通负群时延电路补偿后输出补偿信号的示意图，理想数字信号经过传输系统，由于受到延时和衰减的影响，输出信号严重失真。加载低通负群时延电路后，输出信号波形得到改善。图4展示了低通负群时延电路与传输线级联的结构示意图。图5则说明了图4中电路结构的数字信号失真示意图。与输入信号Vi(t)相比，输出信号Vl(t)受到的影响可以从信号幅度的衰减、信号上升、下降时间以及传输时延进行评估，其中传输时延通常由参数Tp50％表示，其定义为输出信号Vl(t)的幅值在达到振幅Vm的50％时所需的时间。
在频域中，输出信号Vl(t)受到的影响可以由传输函数Gl(t)表示。它的增益幅度和群时延通常符合以下不等式：
Gl(jω)是高速电路的传输函数，τl(ω)是高速电路的群时延函数
对输出进行拉普拉斯变换，输出信号可以写为：
vl(s)＝Gl(s)·vi(s) (12)
vl(s)是高速电路的输出信号函数的拉普拉斯变换，Gl(s)高速电路传输函数的拉普拉斯变换，vi(s)是高速电路输入信号的拉普拉斯变换，s是频率ω的拉普拉斯变换；
正如图4和图5所示，减小传输时延机理的研究旨在找到能提供尽可能接近输入信号Vl(t)(黑色实曲线)的补偿输出VN(t)(黑色虚点直线)的电路。即Vi(t)≈VN(t)。理论上，为了使电路能进行良好的匹配，传输系统Gx(s)必须满足如下等式：
vN(s)＝Gl(s)·Gx(s)·vi(s) (13)
vN(s)是经过低通负群时延电路补偿后的输出函数；
传输系统Gx(s)是指低通负群时延电路的传输函数，
因此在频域中，低通负群时延电路的增益和群时延必须等于(14)式，即所加载的低通负群时延电路能够同时提供增益和低通负群时延。这也是低通负群时延电路对高速PCB传输延时的均衡机理。
τx(ω)是低通负群时延电路的群时延函数，Gx(jω)是低通负群时延电路的传输函数|dB为传输函数的值用dB表示；
图6为低通负群时延电路对传输信号均衡的方法原理，图6中的(a)为幅值补偿，图6中的(b)为群时延补偿，在与传输信号相同的频带上，低通负群时延电路通过同时提供增益和低通负群时延，使失真的信号得到了较好的恢复。
采用传输系统实现高速互连传输信号延时均衡，传输系统为低通负群时延电路，传输系统包括逻辑门电路、高速电路等效电路网络、低通负群时延单元和输出端口；低通负群时延单元包括第一电阻Rb，第一电感Lb和场效应管FET，高速电路等效电路网络包括等效电阻Rld、等效电感Lld和等效电容Cld；逻辑门电路的输出端与等效电阻的一端连接、等效电阻的另一端与等效电感的一端连接，等效电感的另一端与等效电容的一端、第一电阻的一端、场效应管的栅极分别连接，等效电容的另一端接地，第一电阻的另一端与第一电感的一端连接，第一电感的另一端与输出端口、场效应管的漏极分别连接，场效应管的源极接地。图7是低通负群时延电路对传输信号均衡的电路结构图，高速电路采用RLC等效电路网络，并且由逻辑门电路驱动，其中Rs作为输出电阻。低通负群时延电路模型由RL和场效应管组成。图7中Vi是输入信号，Vgs是FET的栅极电压。
根据图7中的电路，整个系统的传输函数可以表述如下：
其中，Rds是场效应管的漏源电阻，gm是场效应管的跨导，电阻和Rt＝Rs+Rld，Rs为逻辑门电路中的输出电阻，Cb为等效电容Cld，Lt为等效电感Lld，Lb是第一电感，Rb是第一电阻；G(s)是低通负群时延电路传输函数的拉普拉斯变换，a0、a1、a2和a3均代表中间变量，s是频率ω的拉普拉斯变换，Rb为第一电阻，Lb为第一电感，Rld为等效电阻、Lld为等效电感，Cld为等效电容。
在非常低的频率(ω≈0)下，整个系统的增益G(0)和传输时延Tp可以表示成：
根据(14)式中低通负群时延电路的均衡目标，利用综合理论可以综合出电路参数：
图8是低通负群时延电路对传输信号均衡的时域仿真结果，其中，图8中的(a)为横坐标0-4ns，低通负群时延电路对传输信号均衡的时域仿真结果，图8中的(b)为图8中的(a)的横坐标0-1ns局部放大图。在输入信号Vi周期为2ns的情况下，Vi的上升/下降的时间约为92ps(蓝色黑色曲线加三角)。高速互连电路的输出信号Vrlc由黑色虚线表示，其传播时延Tp＝304ps。加入低通负群时延电路后的输出信号VN由黑色曲线表示，其传播时延Tp＝44ps，可以看出，该低通负群时延电路均衡了大约85％的传输时延。除此之外，与输入信号Vi相比，输出信号VN既没有衰减也没有过冲，并且波形也得到了较大的改善。
图9是低通负群时延电路对传输信号均衡的频域仿真结果，图9中的(a)和(b)分别表示了加载低通负群时延电路后的幅值与时延均衡性能频域仿真结果。未加载低通负群时延电路时，信号衰减为-20dB，群延时变化为0.4ns，加载低通负群时延电路后，在0-3GHz的范围内，整个电路的传输函数幅度衰减小于2dB，群时延变化小于68ps。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。