專利名稱：高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計中雙絞線回波損耗的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計中雙絞線回波損耗的模擬方法但是隨傳輸距離的增加，五類雙絞線上信號受到的各種干擾也隨之上升，從而影響了整個系統(tǒng)的性能。對于當今的研究熱點——千兆以太網(wǎng)而言，這種影響尤為嚴重。由于在五類線上傳輸?shù)男盘栴l譜達到近100Mhz，雙絞線對信號的衰減、回波、串擾等干擾因素在很大程度上制約著整個收發(fā)系統(tǒng)的性能。
對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收/發(fā)送系統(tǒng)的設(shè)計者而言，希望有一個能夠精確反映雙絞線上各種干擾因素對傳輸信號影響的模型。通過這個模型，可以精確地了解傳輸信號在雙絞線上的失真情況，從而可以相應(yīng)地調(diào)整接收端數(shù)字均衡器的設(shè)計，更好的消除雙絞線上干擾因素對傳輸信號影響。而且，希望這個模型能夠在相當程度上模擬現(xiàn)實中的雙絞線，從而可以在計算機上將這個模型嵌入整個收發(fā)系統(tǒng)，進行整體系統(tǒng)的仿真。通過仿真，可以提取誤碼率等許多有關(guān)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。
如果在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收/發(fā)送系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計的階段，將一個精確的雙絞線模型嵌入系統(tǒng)，就可以大大的提高設(shè)計的效率，增強設(shè)計者對自己所設(shè)計系統(tǒng)的信心，縮短設(shè)計周期。近年來，工業(yè)界對雙絞線的性能制定過相應(yīng)的協(xié)議，也提出了一些比較粗糙的模型。例如，在ANSI/TIA/DIA-568-A和ANSI/TIA/DIA-568-B協(xié)議中，對五類和超五類的雙絞線的插入損耗，回波損耗，近端串擾以及遠端串擾等關(guān)鍵指標提出了相應(yīng)的模型，并廣泛被工業(yè)界所接受。但是此模型只能用于生產(chǎn)廠家檢驗雙絞線的質(zhì)量，將這樣的一個模型作為仿真模型嵌入整個系統(tǒng)進行驗證是遠遠不夠的。它離系統(tǒng)設(shè)計者所期望的仿真模型還有如下差距協(xié)議中的模型只是一個簡單的數(shù)字模型，不能嵌入系統(tǒng)進行系統(tǒng)級的仿真。
作為性能評價的標準，該模型提供了關(guān)于插入損耗，回波損耗，串擾損耗的幅度信息，這些信息可以用來判別雙絞線的性能，并且可以讓系統(tǒng)設(shè)計者定性的了解雙絞線對信號傳輸?shù)挠绊憽５?，作為頻域中的函數(shù)，由于它缺乏相位信息，它不能比較近似的反映現(xiàn)實中的雙絞線對信號的具體影響。
在計算機的局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計中，雙絞線的回波損耗模擬是一個重要問題。所謂回波損耗，是指在雙絞線上由于阻抗失配造成的折射能量與入射能量的比例。在協(xié)議ANSI/TIA/DIA-568-A和ANSI/TIA/DIA-568-B(以下簡稱協(xié)議)中已經(jīng)對雙絞線的回波損耗進行建模，具體如下Return_Loss＝15dB1Mhz＜f＜20Mhz (1)Return_Loss=(15-10*log(f20))dB20Mhz<f<100Mhz---(2)]]>這里的f為頻率。這是一個幅度模型，它可以為生產(chǎn)廠家提供一個檢測的標準，也可以定性的告訴雙絞線的使用者信號在雙絞線上回波損耗大小的大體性能。但是作為用于高頻系統(tǒng)級仿真的模型，它是不符合要求的。作為一個可以用來嵌入整個設(shè)計系統(tǒng)進行功能仿真的模型，它不僅要提供信號在雙絞線上的回波損耗的幅度情況，而且要提供在接受端觀察到的回波損耗的相位信息。對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計者而言，這兩樣都是必須的，缺一不可的。而現(xiàn)今的模型只能讓我們評估雙絞線上的信號回波損耗的大小，顯然是不滿足要求的。
本發(fā)明提出的雙絞線回波損耗模擬方法，首先是建立新的回波損耗模型，得到回波損耗的幅度信息和相位信息，然后對幅度信息和相位信息進行等效電路元件的設(shè)計，以便將其嵌入整個設(shè)計系統(tǒng)，進行系統(tǒng)仿真。
回波損耗模型的建立對于電纜測試系統(tǒng)(見

圖1所示)，網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量反射信號的能量，Zr是雙絞線的終端負載。Pn是指在接收端的反射系數(shù)，其實也就是反射能量于入射能量的比例，Pr是指由于雙絞線與負載的失配造成的反射系數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)分析儀端看到的回波損耗的電壓可以從基本的傳輸線理論推導(dǎo)而來，其回波幅度為RL＝-20log10(|Pn|) (3)這里，假設(shè)雙絞線電纜是均勻的，在這個模型中，輸入反射系數(shù)Pn由下式得到Pn=(Zin-Zn)/(Zin+Zn)---(4)]]>這里，Zn是電源的輸入阻抗，Zin是看進去的輸入阻抗?？梢?，回波的大小與電源的阻抗，以及輸入阻抗有關(guān)系。
實際中，五類雙絞線不可能是完全均勻的，線上任何一處缺陷都可能引起傳輸信號的反射。為了使模型更好的反映實際中的雙絞線的性能，本發(fā)明在由理論推導(dǎo)而來的雙絞線模型中引入了雙絞線結(jié)構(gòu)回波損耗的幅度影響，具體模型如下RLcable=(RL)2+(DRL)2---(5)]]>這里DRL是雙絞線的結(jié)構(gòu)回波損耗的幅度，而RL是均勻雙絞線的回波損耗的幅度。RLcable就是非均勻的雙絞線的回波損耗的幅度。
本發(fā)明通過仿真一根阻抗匹配的100米的五類雙絞線的回波損耗來觀察引入結(jié)構(gòu)回波損耗的作用，仿真結(jié)果見圖2和圖3所示，本發(fā)明還仿真了一根阻抗匹配的150米的五類雙絞線的回波損耗來觀察引入結(jié)構(gòu)回波損耗的作用，仿真結(jié)果見圖4和圖5所示。在圖2和圖4中，曲線是本發(fā)明的仿真結(jié)果，直線是協(xié)議中的回波損耗模型結(jié)果。本發(fā)明的結(jié)果好于協(xié)議模型，這是因為在協(xié)議中考慮的是回波損耗的最差情況?？梢?，加入了結(jié)構(gòu)回損后的模型與實際的回波損耗的幅度趨勢更加一致。結(jié)構(gòu)回波損耗幅度的數(shù)據(jù)來源很多，既可以是生產(chǎn)廠商提供的測試數(shù)據(jù)，也可以使用協(xié)議ANSI/TIA/DIA-568-A和ANSI/TIA/DIA-568-B中提供的最壞情況下的結(jié)構(gòu)回波損耗數(shù)據(jù)。由于結(jié)構(gòu)回波損耗的相位沒有一般性的規(guī)律。本發(fā)明的回波損耗的相位采用均勻的雙絞線的回波損耗的相位。在實際中，加入了連接器后的信道回波損耗，很大程度上由連接器的性能決定。一般的傳輸信道是由電纜和連接器構(gòu)成，由上述模型(3)-(5)式，可以計算在任意長的電纜中插入任意連接器的信道的回波損耗的幅度和相位。
本發(fā)明進一步工作是將由上述模型得到的回波損耗的幅度信息以及相位信息等效為一個濾波器。等效的步驟如下(1)將得到的幅度和相位信息進行處理，即采用取它們的包絡(luò)的方法，使它們的幅頻曲線和相頻曲線盡量光滑和連續(xù)。
(2)用matlab函數(shù)，求得處理后的幅頻曲線和相頻曲線的最佳傳遞函數(shù)，具體為H(s)=B(s)A(s)=b(1)sm+b(2)sm-1+b(3)sm-2+..+b(m+1)a(1)sn+a(2)sn-1+a(3)sn-2+..+a(n+1)---(6)]]>
這里，b(1)，b(2)，b(3).....b(m+1)，a(1)，a(2)，a(3).....a(n+1)為濾波器的系數(shù)，s＝j(luò)×2×π×f。一般情況下，5到10階的濾波器足夠了。
由上述傳遞函數(shù)就可以直接得到仿真所需要的濾波器。該濾波器系數(shù)的可通過求取如下方程的最小值得到mina,bΣk=1nwt(k)×|h(k)×A(w(k))-B(w(k))|2---(7)]]>在式子中，w是頻率的函數(shù)，A(w(k))，B(w(k))是我們要求的系數(shù)，h((k))用上述模型(5)得到的一組回波損耗的值。
由于得到的幅頻和相頻曲線都是光滑連續(xù)的，經(jīng)過上述處理后即可得到等效電路。
本發(fā)明建立了新的回波損耗模型在均勻電纜的假設(shè)的基礎(chǔ)上加入了結(jié)構(gòu)回波損耗，并采用取包絡(luò)的方法，將雙絞線的回波損耗的幅度和相位用帶通濾波器來等效，得到了很好的效果。它可以即插即用的用于系統(tǒng)仿真，給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計者帶來極大的方便。
本發(fā)明為設(shè)計人員提供一個比現(xiàn)今工業(yè)用模型更完整，可靠的雙絞線回波損耗模型，為調(diào)整均衡器，線驅(qū)動器的設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)，并且可以直接等效為仿真軟件可識別的電路元件，從而可以嵌入整個收發(fā)系統(tǒng)，進行系統(tǒng)級的仿真。直接驗證數(shù)字均衡器等與傳輸介質(zhì)有關(guān)的電路的性能，從而加快設(shè)計周期，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠度。本發(fā)明可以自動模擬在各種工藝情況下的雙絞線對信號的影響，從而考驗收發(fā)系統(tǒng)在各種不同生產(chǎn)廠家的五類雙絞線介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。通過模擬大量的五類雙絞線，我們可以檢驗所設(shè)計的系統(tǒng)適應(yīng)各種各樣的五類雙絞線的能力，并對系統(tǒng)的設(shè)計，特別對信號恢復(fù)部分例如數(shù)字均衡器進行有效的評估，修改。從而可以大大的縮短系統(tǒng)設(shè)計周期，提高設(shè)計的準確性和信心。
圖2為對于100米的五類雙絞線，考慮結(jié)構(gòu)回損得到的電纜回波損耗。
圖3為對于100米的五類雙絞線，不考慮結(jié)構(gòu)回損得到的電纜回波損耗。
圖4為對于150米的五類雙絞線，考慮結(jié)構(gòu)回損得到的電纜回波損耗。
圖5為對于150米的五類雙絞線，不考慮結(jié)構(gòu)回損得到的電纜回波損耗。
圖6為由連接器和雙絞線構(gòu)成的信道。
圖7為信道的回波損耗的幅度與協(xié)議的比較。
圖8為信道的回波損耗的相位。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步描述本發(fā)明。
實施例對于一個由兩個連接器和一根雙絞線構(gòu)成的信道(圖6所示)，其中五類雙絞線的長度為100米，其特征阻抗的高頻漸進值為103歐姆，采用本發(fā)明引入了結(jié)構(gòu)回波損耗的模型(5)式，并設(shè)計成相應(yīng)的等效濾波器，濾波器的階數(shù)為8階。五類雙絞線和連接器的基本參數(shù)如下五類雙絞線1時間延遲(ns/100m)τ=cons+36/f---(5)]]>在式子中，cons是一個時間延遲的常數(shù)，針對五類雙絞線而言，它的最大取值為cons＝534ns。2相位常數(shù)(rad/m)β=2πf×τ/105---(6)]]>3衰減常數(shù)(Nep/m)α=(1.967f+0.023f+0.005/f)×0.01/8.686---(7)]]>4傳播常數(shù)(rad/m)γ＝α+jβ(8)5特征阻抗(歐姆)Z0=Zkf(1+0.055(1-j)f)---(9)]]>在本實例中，Zkf＝103。l＝100。連接器基本參數(shù)1時間延遲(ns/100m)τ＝570 (10)2相位常數(shù)(rad/m)β=2πf×τ/105---(11)]]>3衰減常數(shù)(Nep/m)α=(0.4f)/8.686---(12)]]>4傳播常數(shù)(rad/m)γ＝α+jβ (13)5特征阻抗(歐姆)Z0=Zcx(1+0.055(1-j)f)---(14)]]>這里，f的單位為MHZ。Zcx＝330歐姆，連接器的長度lconnector＝6厘米。
模型計算了匹配情況下的回波損耗的幅度并且與前述公認的協(xié)議中的模型相對比(圖7所示)。并且給出了新模型得到的相位數(shù)據(jù)(圖8)。在圖7中，曲線是通過理論推導(dǎo)得到的回波損耗的幅度，曲線下面的線是本發(fā)明等效濾波器所給出的幅度，而最下方的線是協(xié)議給出的最差情況下的回波損耗。在這里，我們的模型的結(jié)果比最差情況好了近10個dB，這個是合理的由于在實際中，雙絞線的特征阻抗不是一定為100歐姆，隨著特征阻抗值偏離100歐姆，雙絞線的回波損耗情況會變得更差。在工程上，五類雙絞線的特征阻抗可以從85歐姆變至115歐姆。在極限情況下，新模型與協(xié)議的最差情況吻合的很好。通過比較，新模型不僅在理論上是合理的，而且在極限情況下符合協(xié)議中最差電纜的情況。
在圖8中，變化劇烈的曲線是模型計算得到的回波損耗的相位，光滑的曲線是由濾波器得到的回波損耗的相位數(shù)據(jù)。
下面的表中，給出了等效濾波器的參數(shù)

權(quán)利要求
1.一種高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計中雙絞線回波損耗的模擬方法，其特征在于建立了雙絞線回波損耗模型，具體如下RLcable=(RL)2+(DRL)2---(5)]]>這里，DRL是雙絞線的結(jié)構(gòu)回波損耗，RL為均勻雙絞線的回波損耗RL＝-20log10(|Pn|) (3)Pn=(Zin-Zn)/(Zin+Zn)---(4)]]>其中，Zn是電源的輸入阻抗，Zin是看進去的輸入阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬方法，其特征在于將模型(3)-(5)式得到的回波損耗的幅度和相位信息等效為一個濾波器，具體步驟如下(1)將得到的幅度和相位信息，采用取它們包絡(luò)的方法，使它們的幅頻曲線和相頻曲線盡量光滑和連續(xù)；(2)用matlab函數(shù)，求得處理后的幅頻曲線和相頻曲線的最佳傳遞函數(shù)H(s)=B(s)A(s)=b(1)sm+b(2)sm-1+b(3)sm-2+..+b(m+1)a(1)sn+a(2)sn-1+a(3)sn-2+..+a(n+1)---(6)]]>這里，b(1)，b(2)，b(3).....b(m+1)，a(1)，a(2)，a(3).....a(n+1)為濾波器的系數(shù)，s＝j(luò)×2×π×f，濾波器的階數(shù)為5-10階。
全文摘要
本發(fā)明為一種高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計中雙絞線回波損耗的模擬方法。它首先建立新的回波損耗模型，其中引入結(jié)構(gòu)回損，獲得更符合實際的回波損耗的幅度信息和相位信息，然后對這些信息進行等效電路元件的設(shè)計，以便將其嵌入整個設(shè)計系統(tǒng)，進行系統(tǒng)仿真。本發(fā)明可大大縮短系統(tǒng)設(shè)計周期，提高設(shè)計的準確性。
文檔編號H04B3/46GK1447532SQ0311614
公開日2003年10月8日 申請日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者陳宰曼, 來金梅, 葉凡, 任俊彥, 沈泊, 鄭增鈺, 陸正毅, 王煜 申請人:復(fù)旦大學(xué)