高速互连中基于信道传输矩阵的串扰抵消研究

Crosstalk is one of the bottlenecks in high-speed circuits for rate and density continuing increasing. Currently, researchers suppress crosstalk mainly from the physical structure of circuit board and transmission line, but the effect of these methods is limited. Neither crosstalk is a new problem in high-speed interconnects nor channel transmission matrix is a new concept in wireless communication MIMO（Multiple Input Multiple Output）system. However, applying the channel transfer matrix to crosstalk cancellation is a new proposition in high-speed interconnects. MIMO principle is applied in this project and the processing technology for channel transfer matrix in MIMO system is also applied for the crosstalk cancellation. Referring to the MIMO system, a channel transmission matrix of coupled transmission lines is established in high-speed interconnects to transfer the channel matrix into unit one by adding circuit structure and then crosstalk can be eliminated. Based on this principle, solution of crosstalk cancellation would be investigated and greater effect of crosstalk suppressing would be got with lower costs because there is no more limited conditions such as parallel transmission lines, spacing of lines with 2W Standard, etc. Additionally, transmission line spacing would be reduced and more area on PCB would be saved in this solution, which provides effective technical support for density continuing increasing in high-speed circuits.

串扰是高速电路继续提高速率和密度的瓶颈之一。目前，研究者主要是从电路板和传输线的物理结构角度来考虑抑制串扰，这类方法效果有限且随着电路密度的增加其应用范围越来越窄。在高速互连中，串扰不是一个新的问题，在无线通信MIMO系统中，信道传输矩阵也不是一个新的概念，但是把信道传输矩阵应用到高速互连电路串扰抵消中却是一个新的命题。本项目把MIMO中对信道传输矩阵进行处理的相关技术应用到串扰抵消中，参照MIMO系统，可以在高速互连电路中建立耦合传输线的信道传输矩阵，再通过添加电路结构使信道传输矩阵为单位阵，这样就将有串扰电路变换为无串扰电路，本项目基于这个原理研究的串扰抵消方案没有更多的限定条件（例如传输线平行、线间距满足2W准则等），能以较低代价获取更大的抑制串扰效果。此外，该方案允许降低传输线间距，线间距降低使得电路板的有效面积增加，这也为高速电路继续提高密度提供了技术支持。

随着集成电路以及印刷电路板密度和速率的提高，互连线引起的串扰问题越来越突出，长期以来严重制约了高速电路的发展。串扰是四类信号完整性问题之一，是高速电路继续提高速率和密度的瓶颈之一。目前，研究者主要是从电磁耦合的角度来考虑抑制串扰，这类方法效果有限且随着电路密度的增加其应用范围越来越窄。为了实现串扰抵消的目标，本项目从信号角度出发，把MIMO中对信道传输矩阵进行处理的相关技术应用到串扰抵消中，在互连系统上对耦合传输线信道传输矩阵（CTL-CTM，coupled transmission lines-channel transmission matrix）进行建模，构建串扰抵消电路使CTL-CTM矩阵为单位阵。主要研究了以下内容并取得了相关结果。.1.研究了耦合传输线信道传输矩阵的构建，简化及其矩阵特性。对两条平行耦合微带线、多条平行耦合微带线的CTL-CTM进行建模并简化，分析了CTL-CTM的矩阵性质为对称矩阵、复正规矩阵。.2.研究了串扰抵消方案的设计，提出了基于CTL-CTM的串扰抵消方法。根据CTL-CTM的矩阵性质，提出了CTL-CTM矩阵的特征值分解，依据特征值分解结果设计了串扰抵消电路方案。在考虑受扰线两边各一条相邻微带线串扰下，ADS软件仿真验证了两条平行耦合微带线，两条非平行耦合微带线，三条平行耦合微带线以及n条平行耦合微带线间的串扰抵消方法，结果表明，应用基于CTL-CTM的串扰抵消方法后，信号抖动和失真大幅下降，串扰抵消效果良好，说明了基于CTL-CTM的串扰抵消方法是可行的，有效的，代价较低。.3.研究了应用CTL-CTM与传输线物理结构设计联合减小串扰方法。为进一步减小串扰，本项目还提出了利用多电平传输，利用叉指补偿电容等串扰减小方法，这些方法都有效、可行，可以联合CTL-CTM进一步减小串扰。.本项目提出了耦合传输线信道传输矩阵概念，并在此基础上研究了串扰抵消方法，该方法没有更多的限定条件，能以较低代价获取更大的抑制串扰效果。本项目为互连系统中串扰问题提供了新的解决思路，为高速电路继续提高速度和密度提供了技术支持。