（机械电子工程专业论文）时间统一分系统方案设计与系统实现.pdf

哈尔滨r 群人学硕十学位论文摘要本文论述了时间统一分系统的国内外研究动态和研究意义。提出适用于本课题研究的新型时间统一分系统，以满足测控系统、通信传输系统、中心计算机等系统的要求，扩充了系统的应用范围，捌有较高的可靠性和同步精度。作者在时统功能设计的同时对其进行了电磁兼容性软、硬件设计：用理论方法分析工程更改对电磁兼容性能的影响；针对电磁兼容性问题提出了高速数字系统中的信号完整性、印刷电路板的电磁兼容性问题及实施方案，浚方案解决了信号定时与信号在传输上的时延和信号波形的损坏，通过描述高速数字电路中典型的信号完整性问题，分析了各种破坏信号完整性的原因及解决方案，结合一个实际的高速d s p 系统阐述了实现信号完整性的具体方法。本文依据可靠性模型，描述过程中设备各单元的预定用途。可靠性模型包括一个可靠性框图和有关的可靠性数学模型，用于估计设备在执行过程中完成规定功能的概率；预定则用于冗余或代替工作的单元，在模型中反映为并联结构。考虑到系统各组成的重要性和复杂度，采用评分分配法确定分配公式，建立各单元、系统的平均故障间隔时削及单元、系统的可靠度。哈尔滨l 群人学硕十学位论文针对时统信号传输过程中抖动对各类业务的损伤问题，分析了抖动源及其物理机制，利用c h a p m a n 数学模型分析抖动的积累，提出了针对线路系统抖动的减少、准同步支路输出抖动和漂移的减少的方法，使系统适于处理较高的指针调整速率，并能提供从j 下常同步到劣化工作模式的平滑过渡。使相对锁相环的时削常数近似线性过程。关键词：时统；i r i g b 码：冗余：同步精度；抖动哈尔滨ii 群人学硕十学位论文a b s tr a c tt h ep a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n di n t e r n a la n de x t e r n a d e v e l o p i n e n to ft j m i n gs y s t e m an e wt y p eo ft i m i n gs y s t e ma d a p t e dt ot h ep r o j e c ti sp r e s e n t e d t h i ss y s t e mm e e t st h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e m ，c o m m u n i c a t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c e n t r a lc o m p u t e rs y s t e mi nt h ee x p e r i m e n t s t h i ss y s t e me x p a n d st h ea p p l i c a t j o nr a n g ea n dp o s s e s s e sh i g h e rr e i a b i l i t ya n ds y n c h r o n o u sd t e e l s l o na u t h o rd e s i g n st i m i n gs y s t e mf u n c t i o n ，a n dd e s i g n st h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r et ot h ee l e c t r 。m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ys i m u l t a n e o u s l ya u t h o ra n a l y s e st h ei n f l u e n c ew h i c he n g i n e e r i n gr e j i g g e rh a su p o nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yu s i n gt h et h e o r ym e t h o d t ot h eq u e s t i o ne le c t r o m a g n e t i cc o m p a t l b i l i t y ，t h ep r o b l e mo ft h es i g n a li n t e g r a li t yo f h i g hs p e e dd i g i t a ls y s t e ma n dt h ee l e c t r 。m a g n e t i cc o m p a t i b i t i t yo fp c bi sp r e s e n t e d t h ei m p l e m e n t i n gs c h e m eo ft h ep r o h e mp r e s e n t e da b o v ei sp r e s e n t e da l s o t h es c h e m er e s 0 1 y e st h es i g n a lt l i n i n g ，t r a n s m i s sj o nd e l a yo nt h et r a n s m i s s i o nl i n ea n du n d e e哈尔滨i ：群人学硕十学位论文s h a t t e f o u r in gt h eh a r d w a r ed e s i g n ，o n ei m p o r t a n tt a c h eist h es i g n a li n t e g r a l i t y t h ep a p e ra n a l y z e sav a r i e t yo fr e a s o n so fd e s t r o y i n gt h es i g n a ljn t e g r a it ya n dp r e s e n t st h er e s o l v i n gs c h e m eb yd e s c r i b i n gt h et y p i c a ts i a n a li n t e g r a l i t yi nt h eh jg hs p e e dd i g i t a lc i r c o i t i ta l s oe x p a t i a t et h em e t h o do fi m p l e m e n t i n gt h es i g n a li n t e g r a l i t yl i n k i n gap r a c t i c a lh i g hs p e e dd s ps y s t e m a c c o r d i n ga st h er e l i a b i l j t ym o d e l ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep r e a r r a n g i n gp u r p o s eo ft h ee v e r yc e l ld u r i n gt h ec o u r s e t h er e l i a b i l i t ym o d e li n c l u d e sar e l i a b i l i t yf r a m ea n dc o r r e l a t i v er e l i a b i l i t ym a t hm o d e l t h er e i a b i l i t ym o d e le s t i m a t e st h ep r o b a b i l i t yt h a te q u i p m e n tf i n i s h e sd e m a n d i n gf u n c t i o nd u r i n gt h ec o u r s e p r e a r r a n g i n gs p a r e sa n dr e p l a c e st h ew o r k i n gc e l l sa n db e h a v e sa sp a r a ll e ls t r u c t u r ei nt h em o d e l c o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n c ea n dt h ec o m p l e x i t yo f lt h es y s t e m ，a u t h o rc o n f 。i r m st h ed i s t r i b u t i n gf u n c t i o nb yg r a d ed i s t r i b u t i n g ，a n de s t a b l i s h e st h ea v e r a g em a l f u n c t i o ni n t e r v a lo fe v e r yc e l la n ds y s t e m ，t h er e l i a b i l i t yo fc e l l sa n ds y s t e m t ot h eq u e s t i o n ，t h a tf l u c t u a t i n gd a m n i f i e sd iv e r s i f i e do p e r a t i o n哈尔滨f ：科人学硕士学位论文d u r i n gt i m i n gs y s t e ms i g n a lt r a n s m i t s ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ef l u c t u a tjn gs o u r c ea n di t sp h y s i c a lm e c h a n i s m m a k in gu s eo fc h a p m a nm a t h e m a t 一1c sm o d e t na n a l y z et h ef l u c t u a t i n ga c c u m u l a t i o n ，l h ep a p e rp r e s e n t st h em e t h o d st or e d u c et h ef 】u c t u a t i n go f lc i r c u i t r ys y s t e ma n dt h ee x c u r s i o n t h em e t h o d sa d a p tt h es y s t e mt oh a n d l eh i g h e rt u n i n gs p e e do ft h ep o i n t e ra n dc a na l s os u p p l yt h es m o o t ht r a n s i t i o nf r o mn a t u r a ls y n c h r o n i z a t i o nt ob a dw o r km o d e t h em e t h o d sm a k et h et i m i n gc o n s t a n to fr e l a t i v ep h a s e l o c k e d1 0 0 p sc l o s et oal i n e a rp r o c e s sk e yw o r d s ：t i m i n gs y s t e m ，i r i g bc o d e ，r e d u n d a n c y s y n c h r o n o u sp r e c i s i o n ，f l u c t u a t i n g哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。降一)，字“。翰讲者期阼日哈尔滨j j 利人学硕十学住论文第1 章绪论1 1引言时间统一分系统的基本任务就是保持被控对象与测控系统时间和频率的高度统一，并提供高精度的时间信号和频率基准信号。如今，时统系统的应用已经推广到常规测控领域以及其它对时自j 同步精度要求较高的系统中。它是由各哥中电子设备组成的一套完整的系统。它的组成如图1 1 所示。时间统一系统由授时和用户两大部分组成。授时部分有国家时问频率基准，它产生的标准时间和标准频率信号通过授时台用无线电方式发播至各地用户设备组成，每个地方的用户设备由定时校频接收机、频率标准、时间码产生器、时间码分配放大器和用户等部分组成。用户部分即称为时间统一系统。图1 1 时问统一系统的组成用户用户喻尔滨r 捌人学顶十学位- 沦文1 2g p s 在授时技术中的应用12 1g p s 简介1 9 9 5 年4 月2 7 日，美国国防部宣称：“6 p s 系统已具备全面运蕾能力”，意即可在全世界任何地方、任何时候实现全天候的导航、定位和定时。g p s 主要由三大部分组成：( 1 ) 空间星座部分( 2 ) 地面监控部分( 3 ) 用户设备部分用户测量从4 颗卫星所接收到的多普勒频移，确定4 个伪距变化值，可得到被测点的速度和时钟相对于g p s 时间的漂移。1 2 2g p s 在授时技术中的应用精密授时g p s 时与协调世界时是同步的，因此c p s 是当今精度最高的全球授时系统，用于远距离时间同步可达纳秒级精度并具有设备简单、全球覆盖、全天候的特点。利用g p $ 可进行高精度全球授时的特点，各站把各自g p s 接收机输出的时阳j 信号取出，修f 成试验所用的时问标准，便可使各站时i i 白j 统一，精度可达纳秒级。g p s 用于时统系统，具有经济、灵活、使用简便的特点。1 、3 本文的主要工作本文的主要任务是针对时间统一分系统信号时间基准及独立测控系统对时间同步的需求出发，分别对发射信号处理、自动对时同步与监控等方面进哈尔滨丁稗火学硕士学位论文行研究。丌发具有用户钟，差校正算法的g p s 设备、适配器和接口电路；将g p s 的时间信息变换成国际通用的 r i g b 革巴场测量时问标准码，并用g p s 时问基准秒脉冲同步输出。在电路设计方面，要求g p s 授时设备不失真传递输出。论文的主要工作如下：( 1 ) 设计其实施技术方案。( 2 ) 由于时统设备自身的印刷电路板上微处理器和逻辑电路中的时钟速率越来越快，信号的上升下降时间越来越短，同时，板上器件密度和布线密度不断增加，高速数字系统中的信号完整性问题、印制电路板的电磁兼容问题变得同益突出。电磁兼容性预测与预测措施的研究可基本解决这些问题。( 3 ) 时统设备是提供时间基准，确保其准确性、实时性和时间的一致性因而可靠性分析和可靠性预计的研究是实现设备可靠性目标的保证。( 4 ) 分析时f 白j 信号在数字网传输损伤的原因，由过去的模拟信号通信改为以s d h 为主要传输手段的数字通信体制。其传输信号的稳定性和可靠性远远超过了以往的模拟信道。而i r i g - b 码不能适应目前的高质量的数字信道。过去的实线电缆又面临淘汰。时统信号数字传输终端的核心就是把时统信号b ( a c ) 码和b ( d c ) 码转换为数字信号。但在信号传输中，面临的最大难题是信号抖动的问题，作者把c h a p m a n 模型作为分析工具计算出抖动的积累并探讨尽可能减小信号抖动的方法。哈尔滨。i ：剧人学硕士学位论文第2 章n , - t f b - 统一分系统的方案设计与系统实现2 1 概述时削统一分系统是测控系统的一个重要组成部分，主要任务为实施分柿调度、测量、安控和数据处理建立统一的、高精度的时间基准，实现全系统的对时同步。叫统作为描述测控目标运动的基本变量，其精度取决于被控对象的目标运动特性和测控需求。因此，如何解决时间连续性、时刻准确性、传输同步问题，满足不断变化的测控需求，保障测控系统的信息采集、处理精度是时统建设的根本目标，也是今后将长期努力的方向。2 1 1 用户需求分析用户需求可归纳为以下几个方面：( 1 ) 时统体制( 2 ) 可靠性( 3 ) 设备结构( 4 ) 设备操作与管理( 5 ) 应用技术2 2 功能与指标2 21 时统设备主要功能( 1 ) 守时与对时同步4哈尔滨r 麒人学硕十宁俯论文( 2 ) 状态显示与记忆( 3 ) 发射信号处理( 4 ) 自动对时同步与监控( 5 ) 状态指示与告警( 6 ) 计算机监控管理( 7 ) 远程监控( 8 ) 操作与控制2 2 2 时统设备技术要求( 1 ) 兼容性( 2 ) 设备结构( 3 ) 可扩展性( 4 ) 可维护性( 5 ) 抗信道干扰( 6 ) 人机界面( 7 ) 软件设计2 3 系统组成及原理2 ，3 ，1 系统组成时统系统以三级管理体系为主，分布对时同步体系为辅。为了使时统设备在使用方便、灵活、可靠性、站点组合灵活，在总体设计时，通用时统设备上的所有功能和操作，保证设各独立操作，同时都能在监控计算机上进行哈尔滨i ：f ￥_ 人学硕十学位论文操作和监控记录；在没有监控计算机时，通用时统设备也能f 常工作，确保单台通用时统设备在独立或机联工作方式下正常工作。2 3 2 工作原理设备体系结构是决定设备性能、功能和技术指标的关键因素。为了实现小型化、模块化、标准化，易于扩展和升级，有效保护设备投资，本设计在设备体系结构上，制定统一的、通用的体系结构。为满足用户需求中提出的系统扩展和升级要求，本设计方案针对设备的主要技术指标实施功能模块化设计，尽可能降低模块关联度。将整套设备分为基本单元和用户单元两部分。基本单元：主要为用户单元提供设备工作环境，如各种工作频率，电源、告警和信息总线等，适应长期需求的基本硬件环境，即备类用户模块当前和将来升级所必需的配置。包括监控模块、报警、电源、时间标准、频标和辅助控制计算机等。用户单元：主要满足用户对分站和终端设备的不同接口和数量需求，实现输出各类时间脉冲信号的功能单元，通过总线结构与基本单元接1 3 ，便于用户根掘实际需要进行扩展。2 3 3 软件逻辑框图软件主要分以下几部分：主程序( 主要包括：初始化程序、键盘处理程序、解码处理程序、串口处理程序等) 、毫秒中断程序、秒中断程序等部分。具体的软件流程框图如下：6哈尔滨j ：烈火学硕士学位论文2 ，4 本章小结图2 1 主程序流程框图本章基于用户测控系统特点的需求，介绍了如何将当代导航、定位系统、时频、电子、计算机等领域的最新技术和产品应用到时间统一分系统中。首先介绍了时嘲统一分系统的功能，对时统系统设计采用先迸的系统集哈尔滨啊￥人学硕士学位论文成技术，实现系统的功能扩展和升级，提高信息交换速度和系统效率；利用可视化技术和数字处理技术，简化操作程序，建立多种刚络机制，提高内部信号指标和测量精度；最后，采用计算机网络化管理和控制技术，丌发了时统系统的监控应用软件。哈尔滨i ：棵人学硕十学值论文第3 章电磁兼容性( e m c ) 预测与设计31 电磁兼容分析3 1 1 概述随着电子技术的发展，印刷电路板上的微处理器和逻辑电路中的时钟速率越来越快，信号的上升下降时划越来越短，同时，板t 器件密度不断增加，高速数字系统中的信号完整往问题、印制电路板的电磁兼容性问题变的r 益突出。3 1 2 干扰信号的来源和传输途径所谓干扰信号是出现在电路系统中的非期望的电信号，不包括电气元器件本身内部的非线性失真，如果在干扰信号路某部份出现的期望信号耦合到不该去的其他部份，这就是干扰信号。3 1 2 1 电磁干扰信号来源主要包括于以下几个方面：无线电设备干扰。测试场所设备种类多、数量多，频带宽，信号复杂，信号强度差别大，这些信号产生的谐波，互调、交调频率均可向四周辐射电磁干扰。脉冲数字电路和丌关电路的干扰。脉冲干扰是目| 1 电子设备最主要的电磁干扰。电子设备越来越多的采用了数字技术，而数字电路对脉冲性质的干扰又特别敏感，随着超大规模集成电路技术的飞速发展。数字电路的工作速度变得越来越高。因而对于脉冲性质的干扰就愈加敏感。此外，丌关电源的高次谐波不仅可以通过公共电源通道进入其它系统，还具有强的电磁辐哈尔滨j ：捌人学硕十学位论文射能力。| 二述辐射干扰将破坏数掘，甚至使系统死锁。设备线缆f 叫： 二扰。车载测量设备安装空蚓狭小，布线紧凑。电力线、信号线、控制线等和线密集，而不同线缆中信号强度相差较大，致使微弱信号极易受干扰。3 1 22 干扰信号的传输途径电磁干扰的传输途径e 墨叵上一匾图3 1 电磁干扰的传输途径图噪声的耦合途径主要有三个方面：公共的电源、相同的阻抗、磁场的辐射。射频干扰问题3 2 电磁兼容设计32 1 电磁兼容性硬件设计3 2 11 高速数字系统中的信号完整性及实施方案随着集成电路时钟频率越来越高接近几个甚至十几个g h z ，电磁兼容性和信号完整性在数字电路，混合电路以及射频电路设计中成为非常重要的设计指标。电子设备尤其是通讯和信息设备电磁兼容和信号完整性设计好坏会0哈尔滨【样人学颂十学位论文决定产品的质量和性能。目前的设计人员凭经验进行往往要进行多次重复设计，故设计人员急需量化电磁兼容设计工具。作者利用了先进的高频电磁全波及解析方法进行高速电子电路设备的电磁辐射、抗干扰的量化分析和设计。随者微电子元器件信号处理速度的急速提高，以及广泛的在民用电器，通汛，航空航天，汽车的应用，电磁干扰成为电子设备的重要设计项目之一。其快刳率瞬变和极高的工作频率，以及很大的电路密集度，必将使得系统表现出与低速设计截然不同的行为，出现了信号完整性问题。破坏了信号完整性将直接导致信号失真、定时错误，以及产生不正确数据、地址和控制信号，从而造成系统误工作甚至导致系统崩溃。因此，信号完整性问题已经越来越引起高速数字电路设计人员的关注。时钟输端数捌接收喇数拙图3 2 ( a ) 理想信号ti“图3 2 ( b ) 实际信号镁时鬣o a t az露o a t az哈尔滨i ：释人学硕：_ 卜学位论文图3 2 ( c ) 数字信号采样的定时( 】) 信号完整性问题及其产生机理信号完整性s l ( s i g n a li m e g r i t y ) 涉及传输线l 的信号质量及信号定时的准确性。在数字系统中对于逻辑】和0 ，总有其对应的参考电压，f 如图3 2( a ) 中所示：高于v i h 的电平是逻辑l ，而低于v i l 的电平视为逻辑0 ，图中阴影则可视为不确定状态。而由图3 2 ( b ) 可知，实际信号总是存在上冲、下冲和振铃，其振荡电平将很有可能落入阴影部分的不确定区。信号的传输延迟会直接导致不准确的定时，如果定h ，j 不够恰当，则很有可能得到不准确的逻辑。例如信号传输延迟太大，则很有可能在时钟的上升沿或下降沿处采不到准确的逻辑。一般的数字芯片都要求数据必须在时钟触发沿的t s e t u p前即要稳定，刊能保证逻辑的定时准确( 见图3 2 ( c ) ) 。对于一个实际的高速数字系统，信号出于受到电磁干扰等因素的影响，波形可能会比我们想象中的更加糟糕，因而对于t s e t u p 的要求也更加苛刻，这时，信号完整性是硬件系统设计的一个至关重要的环节，必须加以认真对待。一个数字系统能否正确工作其关键在于信号定时是否准确，信号定时与信号在传输线上的传输延迟和信号波形的损坏程序有关。信号传输延迟和波形破损的原因复杂多样，但主要是以下三种原因破坏了信号完整性：反射噪声其产生的原因是出于信号的传输线、过孔及其它互连所造成的阻抗不连续。信号间的串扰随着印刷板上电路的密度度不断增加，信号线阳j 的几何距离越来越小，这使得信号间的电磁耦合己经不能忽略，这将急剧增加信号问的串扰。i 哈尔滨i 。稗人学硕十学德论文- h 工 还f q # f 1 a 一歹歹) 歹i 歹l 歹) 丁了丐了了图3 3 串扰的仿真建模电源、地线噪声由于芯片封装与电源平台问的寄生电感和电阻的存在，当大量：占片内的电路输出同时动作时，会产生较大的瞬念电流，导致电源线上和地线上电压波动和变化i 这也就是我们通常所说的地跳。一个数字系统的结构可能非常复杂，它可能包括子板、母板和底板，板削连接是通过一些连接予或者电缆来实现的，而高速印制板上的信号则是通过传输线、过孔及芯片的输入输出引脚来进行互连的。这些物理连接( 包括地平台和电源平面) 由于存在着传输特性的差异，从而使信号完整性到了破坏。因此，为保证一个高速数字系统证常工作，必须消除因为物理连接不当而产生的负面影响。( 2 ) 保证信号完整性的方法当信号线的长度大于传输信号的波长时，这条信号线就应该被看作是传输线( 长线) 。并且需要考虑e p $ i j 板上的线问互连和板层特性对电气性能的影响。在高速系统中，信号线通常被建模为一个r l c 梯形电路的级联。由于信号线上各处的分布参数存在差异，尤其是在芯片的输入、输出引脚处，这种差异更加明显。由于阻抗的不匹配，会导致信号在信号线上产生很大的反射。消除反射的习惯做法是尽量减小高速传输线的长度，以减小信号线的传输线效应。实】3哈尔滨f ：科人学倾十学位论文际上我们还可以在输出、输入端处端接匹配电阻来达到阻抗匹配的目的，并以此来消除信号的反刺。图3 4 - ( e 1 ) 串行端接图3 , 4 ( b ) 并行端接当几条高速信号并行走线且这些信号线之间的距离很近时，就不能忽略串扰对系统的影响。两条并行的信号线之间的串扰可以用图3 3 来建模，图中“非门”输出线上的信号会在“与非门”的输出线上产生干扰。反过来，“与非门”输出线上的信号也会在非门输出线上产生干扰。从图中可以看到：如果两条并行线之削的距离越小，并行线并行的长度越长，则并行线l l 白j 的感性耦合、容性耦合就越大，串扰也就越大。从减小感性耦合和容性耦合的角度来看，消除串扰的最有效的方法是增大并行线间的问距，同时尽量减小并行线的并行长度。当然也可以改变印制板上的绝缘介质特性参数来减小这种耦合，以达到减小串扰的目的，但这可能会增加制板的费用。有时候在p c b 板尺寸要求很苛刻的情况下，未必能够保证并行线问的足够的问，因此要适当改变布线策略，尽可能地保护比较重要的信号线，并依靠端接束大幅度地消除串扰。基于不同的布线拓扑结构，端接的策略也可能不同，主要有以下三种方式：单赠载网络一般采用串行端接；菊花链结构一般采用a c 并行端接；星形布线一般也采用a c 并行端接。1 4o。一孑一哈尔滨j ：利人学硕十学位论文电源噪声一直就是让设计人员头痛的问题，尤其在高速设计中，消除电源噪声就不再像在每一个芯片的供电引脚上并联电容进行电源滤波那么简单了。采用n 型等效电路以及磁珠等，会给清除电磁干扰带来一定好处。但是在高速系统中，由于高频信号在传导的过程中，其信号凹流通过电源系统( 尤其是多层板中的平面层) 所造成的高频串扰，才是高速系统中电源噪声的最大来源。有效地旁路地和电源上的反弹噪声，即在合适的地方增加去耦电容，例如个高速信号的过孔也可能会对电源产生很大的噪声，因此在高速过孔附近加上去耦电容是非常必要的。同时还要注意消除系统中的不同电源间的互相一l i 扰，一般的做法是在一点处连接，中间采用e m i 滤波器。( ：，) b s p 系统中信号完整性的实例在正交频分复用o f d m 调制解调系统中，时钟率高达1 6 7 m h z ，时钟沿时间为0 6 n s ，系统构成中有t m s 3 2 0 c 6 7 0 1d s p 以及s b s r a m 、s d r a m 、f i f o 、f l a s h 和f p g a ( 如图3 5 所示) 。t 龋s 3 2 0 c67 0 11 广f 1 靠图3 5高速数字系统框图其中f i f o 采用异步f i f o ，主要用作与前端接口的数据缓存；d s p 的d m a骂哈尔滨i ：捌人学硕十学倚论文高速地将数据搬移到s b s r a m 或者s d r a m 中：d s p 处理完数据由多通道缓冲串口( m c b s p ) 将b i t 流输出到f p g a 中进行解码处理。由于系统工作在很高的时钟频率上，所以系统的信号完整性问题就显得十分重要。首先列系统进行分割，系统中不仅有高速音| j 分，也有异步的低速部分分割的目的是要重点保护高速部分。d s p 与s b s r a m 、s d r a m 接口是同步高速接口，对它的处理是保证信号完整性的关键：与f i f o 、f l a s h 、f p g a接口采用异步接口，速率可以通过寄存器进行设置，信号完整性要求容易达到。高速设计部分要求信号线尽量短，尽量靠近d s p 。如果将d s p 的信号线直接接到所有的外设上，一方面d s p 的驱动能力可能达不到要求，另一方面由于信号布线长度的急剧增加，必然会带来严重的信号完整性问题。所以在浚系统中体体的处理办法是将高速器件与异步低速器件进行隔离，在这里采用t i 的s n 7 4 l v t h l 6 2 2 4 5 实现数据隔离，利用准确的选通逻辑将不同类型数据分丌；用s n 7 4 a l b l 6 2 4 4 构成地址隔离，同时还增强了d s p 的地址驱动能力。这种解决方案可以缩短高速信号线的传输距离，以达到信号完整性的要求。其次是对系统中高速时钟信号与关键信号进行完整性设计。与s b s r a m接口的时钟高达1 6 m h z ，与s d r a m 接口的时钟高达8 0 m h z ，时钟信号传输延时大小和信号质量的优劣将直接关系到系统的定时是滞准确。在设计布局布线时，总是优先考虑这些重要的时钟线，即通过规划时钟线，使得时钟线的连线远离其它的信号线；连线尽量短，并且加上地线保护。本系统中由于要求大量存储器( 使用了4 片s d r a m ) ，对于要求较高的同步时钟来说，如果采用星型布线，就很难保证时钟的输出能力，而且还将导致p c b 布线尺1 6哈尔滨f + 程人学硕十学位沦文寸的增大，从而直接影响信号完整性。因此很有必要采用时钟缓冲器来产生4 个同相的、延迟极小且一致的时钟，分别接到4 片s d r a m 上，这样不但增加了时钟信号的驱动能力，同时很好地保证了信号完整性。对于其它的关键信号诸如f i f o 的读写信号等，也应尽心设计。u l l! 堕!：；l f -c lk 2 一4i k _ 一图3 6 高速时钟驱动原理第三点是解决信号的反射、串扰噪声问题。这一点在一高速系统中显得尤其重要，解决的办法是通过采用先进的e d a 工具，选择正确的布线策略和端接方式，从而得到的理想的信号波形。在设计本系统时，基于i b i s 模型，使用h y p e r l y n x 进行设计前仿真。根据仿真结果，选择出最优的布线策略。图3 6 为端接和宋加端接的信号波形及串扰波形图，从图中可以看到端接对消除反射、振荡和串扰超到了明显的作用。哈尔滨一稃人学硕十学位论文主1 辟a油璃f 1 t童；j ￥，、，p 。0 -i。k 、一i 擅钾_ 扭 雕i 图3 7 信号完整性仿真波形最后是解决系统中的电源和e m i 问题。首先一定要尽量减小系统中的各种电源之阳j 的互相影响，如数字电源和模拟电源通常只在点处连接，且中削加磁珠滤波；还要选择合适的位置放置去耦电容，做到有效地旁路电源和地线上的反弹噪声；最后是在印制板的顶( t o p ) 层和底( b o t l d m ) 层大面积铺铜，用较多的过孔将这些地平面连接在一起，这些措施对解决e m i 和电源噪声都能起到积极的作用。该系统采用自顶向下的设计方案，首先进行系统级别设计，将兼容的器件放置在相对集中的区域：然后进行重要信号的设计，保证在重要信号的设计规则下顺利粕线：接下来用e d a 软件辅助消除反射、串扰等噪声；最后进行电源和e m i 软件。浚系统现已调试通过，实践证明以上保证信号完整性的措施是必要而且讵确的。随着新工艺、新器件的迅猛发展，高速器件的应用变得越来越普遍，高速电路设计也就成了普遍需要的技术。信号完整性的分析在高速设计的作用举足轻重，只有解决好高速设计中的信号完整性，高速系统才能准确、稳定地工作。本文提出的若干保证信号完整性的方法和措施，通过具体高速数字哈尔滨：群人学颂七学位论文系统的设计和实现，验证了这些方法的可行性。3 2 12 印刷电路板的电磁兼容问题印制电路板( p c b ) 易于制造，性能可靠，价格便宜，因此广泛地应用于各种电子设备中。近年来，随着电子技术的发展，印制电路板上微处理器和逻辑电路中的时争1 1 速率越来越快，信号的上升下降时间越来越短，同时，板上器件密度和布线密度不断增加，印制电路板的电磁兼容问题变得同益突出。在电磁兼容层面分析印制电路板，要考虑三个基本问题：( 1 ) 保证信号在板上可靠地传输，确保信号的完整性( s i g n a l i n t e g r i t y ) ；( 2 ) 抑制电磁干扰( e m i ) 的传播：( 3 ) 加强防护，防止因为抗扰度不足引起灵敏度故障( s u s c e p t i b i l i t yf a i l u r e ) 。对于相对低频的信号( 信号的频谱上限为1 0 0 m h z ) ，通常可以不考虑上述的问题。但是当信号波长( 九) 与信号线长度( 1 ) 可相互比拟时( 1 兰0 1九) ，就需要考虑印制线的几何尺寸、布线、线间间隔以及传输信号的上升、下降时i 自j ，脉冲宽度与周期等因素，以致需要用传输线理论( 在某些场合需要用微波理论) 束f 确地分析信号的传播。印制电路板上的e p 甫, u 线通常可以用微带线或带状线模型来模拟。微带线模型由介质基片一边的导体带和基片另一边的金属接地板构成，它可用来模拟pcb 表面层的印制导线。带状线模型由上下接地导体和中间导体带构成，接地板和导体带之间是绝缘介质，它可以模拟多层pcb 中间层的印制导线。( 1 ) 信号完整性哈尔滨r 程人学硕十学位论文p c b 卜的信号完整性问题主要包括时延、阻抗不匹配、地弹跳( g r o u n db o u n c e ) 、串音等。信号完整性问题会影响电子器件的稳定工作。信号时延：剥于高频信号，传输时延应该是电路设计者考虑的最基本的问题之一。传输时延与信号线的长度、信号传输速度的关系如下：n ，2 “一。( 3 一1 )式中：c 一真空中的光速；r e f f 有效的相对电导率：lp 一信号线的长度。r e f f 与传输线周围介质有关，对于微带传输线来说，介于板的相对电导率与空气相对电导率之阳j 。在大多数系统中，信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差( c o i o c ks k e w ) 的最直接因素。时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号，到达接收端的时间不同步。时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性，如果时钟脉冲相位差太大，会在接收端产生错误的信号，如图j 所示。传输线时延已经成为时钟脉冲周期( c l o c k c y c l e ) 中的重要部分。图3 8 传输时延对信号的影响哈尔滨工程人学硕十学位论文阻抗不匹配：阻抗不匹配可以由驱动源，传输线和负载的阻抗不同引起，也可由传输线的不连续例如导通孔、短截线引起，另外由于返回路径上局部电感、电容的变化，返回路径不连续也会导致阻抗不连续。这种阻抗的不匹配，会导致反射和阻尼振荡。反射会引起信号的振铃r i n g i n g 现象，即在稳念信号上下产生的电压过冲和下冲现象，如图2 所示。为了将电压的过冲下冲限制在合理的范围内( 不超出稳态值的1 0 1 5 ) ，应该遵循下面这样一个原则：信号的上升时间要小于信号在印制导线上来回引起的传输时延。即：t r 2 1 p t p p d式中：t r信号的上升时削；1 p一信号线的长度；t p p d 一信号线单位长度引起的延时。振铃现象可能会导致误触发，为了消除振铃现象的影响，方法之一就是等待信号稳定下来，但这又会减小系统最大可能的时钟速率。胂f l图3 9 反射引起的振铃现象哈尔滨i ：裂人学硕士学位论文地弹跳( o o t m db o u n c e ) ：所谓地弹跳，是指在某一集成电路丌关时，山于p c b 的地线以及集成电路的接地引线具有一定的电感，相应会引起器件内部地电位短暂的冲击或下降。而来自其它器件的输入驱动信号，或者由此器件输出信号所驱动的其他器件，都是以外部系统地为参考的。这种参考地电位的不一致，可能会导致器件的输入门槛或输出电平的改变，从而给高速p c b 的设计带来问题。对于电源来说，也存在类似的问题。串音：通常可分为两部分，即公共阻抗耦合和电磁场耦合。公共阻抗耦合是因为不同信号共用公共返回路径引起的，这种耦合通常在低频时起决定作用。电磁场祸合又可分为电感耦合与电容耦合。串音属于近场问题，在p c b 0 上，串音与线的长度、线的i 刈距、线中传输信号的方向以及参考地平n f f 状况有关。例如地平面上的裂缝( s p l i t ) 会使跨越裂缝的邻近线路的串音增加，引起信号波形畸变。( 2 ) 减小传导发射和辐射发射电磁干扰问题主要包括传导发射和辐射发射问题。电磁兼容中所谓的发射，是指“从源向外发出电磁能的现象”，与一般通信领域中人为的向外发射电磁波不同，p c b 中的发射常常是无意的。辐射发射标准通常覆盖3 0 m h z 1 g h z 的范围，在不久的将来将扩展至5 4 0 g m h z 。对于传导发射，f c c将范围限制在0 4 5 3 0 m h z 。而c i s p r 将下限延伸0 1 5 m h z 。滤波是抑制传导发射的一种重要方法。对离开p c m 板的信号线进行滤波，可以抑制传导发射的传播。高频时，p c b 上的印制线就像一个单极天线( m o n o p o l e a n t e n n a s ) 或环形天线( l o o p a n t e n n a s ) ，向外辐射能量。辐射发射可以分为两种基本类型：2 2哈尔滨工程人学硕士学位论文差模辐射和共模辐射。差模辐射是由于闭合环路中的电流即所谓的差模电流引起的。辐刺的强度与环的面积、电流的大小及频率的平方成f 比。通过减小上述因素，尤其是频率，可以减小辐射的强度。另外，坏的辐射具有方向性，一个小电流环的电场辐刳值在环所处的平面上最大，而在环的轴向上最小。共模辐射是由寄生效应，例如地线层、电源层或电缆上的感应电流所谓的共模电流引起的。共模辐射与一个单极天线类似，辐射的强度与单位线长中的电流及频率有关，但对方向不敏感。由于差模电流产生的辐射是相减的，而共模电流产生的辐射是相加的，所以即使共模电流比差模电流小的多，也会产生程度相当的辐射场。例如，长为l m 的电缆，其中间距为1 2 7 m m 的两导线中流有3 0 m h z 、2 0 m a 的差模电流，会在3 m 外产生1 0 0 m v m 辐射电场，而对共模电流来说，只需要8 p a的电流就能产生同样程度的辐射。在进行远场分析时，必须考虑共模辐射。( 3 ) 加强防护防护的强度j 随产品的用途而定。对于无关紧要的电子产品，就不需要专门的防护。而对于军用的电子产品及用于电厂与电网控制的电子设备，就需要加以最高等级的防护，因为即使是在极端情况下，也要保证这些设备能f 常工作。3 2 1 3e m c 的设计规则e m c 包括电磁干扰和电磁抗干扰两个部分。一般数字电路e m s 能力较强，但是e m i 较大。电磁兼容技术的控制干扰，在策略上采用了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方针。喻尔滨f ：稃人学硕十学位论文主要的e m c 设计规则有：( 1 ) 2 0 h 规则。p o w e r p l a n e ( 电源平面) 板边缘小于其与g r o u n d p l a n e( 地平面) i 列距的2 0 倍。( 2 ) 接地面处理。接地平面具有电磁学上映象平n ( i m a g e p l a n e ) 的作用。若信号线平行相邻于接地面，可产生映像电流抵消信号电流所造成的辐射场。p c b 上的信号线会与相邻的接地平面形成微波工程中常见的m i c r o s t r i pl i n e( 微带线) 或s t r i p l i n e ( 带状线) 结构，电磁场会集中在p c b 的介质层中，减低电磁辐射。因为，s t r i pl i n e 的e m i 性能要比m i c r o s t r i pl i n e 的性能好。所咀，一些辐射较大的走线，如时钟线等，最好走成s t r i pl i n e 结构。( 3 ) 混合信号p c b 的分区设计。第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线。对于实在必须跨区的情况，需要通过，在两区之间加连接高频电容等技术。( 4 ) 通过p c b 分层堆叠设计控制e m i 辐射。p c b 分层堆叠在控制e m i辐射中的作用和设计技巧，通过合适的叠层也可以降低e m i 。从信号走线来看，好的分层策略应陔是把所有的信号走线放在一层或若干层，这些层紧挨着电源层或接地层。对于电源，好的分层策略应浚是电源层与接地层相邻，且电源层与接地层的距离尽可能小，这就是我们所讲的“分层”策略。( 5 ) 降低e m i 的机箱设计。实际的机箱屏蔽体由于制造、装配、维修、散热及观察要求，其上一般都丌有形状各异、尺寸不同的孔缝，必须采取措2 4哈a ：滨t 群人学硕十学俺论文施柬抑制孔缝的电磁泄漏。一般来说，孔缝泄漏量的大小主要取决于孔的面积、孔截而上的最大线性尺寸、频率及孔的深度。( 6 ) 其它技术。在i c 的电源引脚附近合理地安置适当容量的电容，可使i c 输出电压的跳变求得更快。然而，问题并非到此为止。由于电容呈有限频率响应的特性，这使得电容无法在全频带上生成干净地驱动i c 输出所需要的谐波功率。除此之外，电源汇流排上形成的瞬态电压在去耦路径的电感两端会形成电压降，这些瞬态电压就是主要的共模e m i 干扰源。为了控制共模e m i ，电源层要有助於去祸和具有足够低的电感，这个电源层必须是一个设计相当好的电源层的配对。问题的答案取决于电源的分层、层阳j 的材料以及工作频率( 即i c 上升时问的函数) 。通常，电源分层的间距是o 5 m m ( 6 r a i l ) ，必层是f r 4 材判，则每平方英寸电源层的等效电容约为7 5 p f 。显然，层间距越小电容越大。3 2 2 电磁兼容性软件设计电磁兼容性软件设计不需要硬件资源，不改变硬件环境，灵活、方便，简化电路设计。3 2 21 软件陷阱法在不