防止假信号的级联S参数插补程序

作者：Kan Tan，泰克公司(美国俄勒冈州毕佛顿市)，Kan.Tan@tektronix.com；John Pickerd，泰克公司(美国俄勒冈州毕佛顿市)，John.J.Pickerd@tekronix.com

一、引言

在串行数据链路分析和评测使用的高速通信环境中，需要应用程序，在实时示波器的实时波形上执行建模、测量和仿真。针对从被测器件中采集波形使用的测试测量夹具和仪器，这些应用程序被设置成允许用户加载电路模型。图1显示了这种链路的方框图实例。


图1. 可以使用S参数建模的串行数据链路系统示意图。

S参数模型通常用于这些系统中。本文讨论了S参数级联涉及的问题，了一种防止假信号以及典型零填充插补可能引起的插入额外脉冲的算法。

二、S参数测量

在使用VNA或矢量网络分析仪测量一个S参数集时，会在一个端口上放一个正弦波入射信号。为获得反射系数，将测量反射的正弦波幅度和相位。所有其它端口必须使用参考阻抗端接。反射信号与入射信号之比表示为S11、S22、S33……直到端口总数。对多个频率，完成这一操作。对传输项，如某些配置中的S21，将在端口1上放一个正弦波，在端口2上进行测量，反射信号与入射信号之比变成S21。对耦合项和其它传输项，将采用端口到端口测量的所有其它组合。这适用于采用参考阻抗端接的所有其它端口，参考阻抗通常为50欧姆。这要求进行测量时，在所有反射和传输稳定后，正弦波要保持稳定状态。

也可以使用TDR阶跃发生器、时域反射计或时域传输TDT，在时域中测量和计算S参数。阶跃中包含同时应用到被测器件的所有关心的频率。与扫频正弦测量相比，较低的SNR与TDR/TDT有关。这主要在较高频率上，阶跃信号拥有幅度较小的谐波。

频率间隔和时间响应周期：

被测S参数数据的频率间隔决定着样点数量，直到系统模型环境中表示时域波形的所需采样率。频率间隔越小，样点数量越多，S参数集覆盖的间隔越长。如果频率间隔太大，得到的时间间隔太短、响应还未能稳定，那么就会发生假信号。这会导致时域信号被反转到不正确的位置。频域幅度响应表现是正确的，但频域相位响应还会显示发生了假信号。确定时间间隔的公式如下：



其中：T是S参数集覆盖的时间间隔，Δf是频率间隔。这种倒数关系表明，覆盖的间隔T越长，Δf越小。这会导致频率分辨率更加精细，进而导致频域样点数量提高，直到所需的采样率频率。



参数fs表示采样率。覆盖DC直到fs范围的频域样点数量等于计算IFFT获得时域响应时的时域样点数。因此，在采样率一定时，Δf越小，时间间隔越长。

级联S参数和假信号：

S参数模块级联是串行数据链路仿真和分析环境中的一项关键操作。为了了解涉及的多个问题，看一下图5所示的级联，其中3个模块级联在一起。每个模块中的模型用电缆长度为1.69 m的一个S参数集表示。为计算系统测试点的传递函，必需把多个级联的模块组合成一个模块。3个模块中，每一个模块的S参数相同。另外，我们假设转换到时域中的每个S参数集在时域中全面稳定。

如果没有要用S参数插补，那么最后级联的S参数集覆盖的时间间隔T将与每一个模块相同。因此，如果3个级联模块的总延迟大于各个模块覆盖的时间间隔，那么将发生假信号。在时域中，假信号会导致脉冲响应特性发生在错误的时间位置，其时序可能会颠倒。这源于时域中的相位假信号，其中相位矢量每次旋转时会有不到两个样点。

级联S参数实例：

为更详细地说明问题，看一下有损耗的、均匀的1.69 m电缆的2端口S参数模型，其中在电路仿真器上产生了40欧姆的特性阻抗。间隔在50 MHz直到25GHz的S参数被保存到一个文件中。根据公式(1)，这个间隔对应的时间间隔为20 ns。


图2. Z0特性阻抗为40欧姆的1.69 m电缆示意图。


图3. 单个1.69 m电缆模型的s11和s21 S参数图。幅度(dB)对频率(GHz)。

上面显示了这个模型2端口S参数集的频响图。注意，S21在25 GHz时的衰减约为-6 dB。因此，如果这样三条均匀的电缆级联起来，得到的衰减在25 GHz时为-18 dB。

现在，我们把S参数矢量变换到时域，如下面图4所示。这要创建从内奎斯特到采样率的频谱的复共轭部分，使用从DC直到1/2采样率时内奎斯特值的S参数数据完成，然后计算IFFT。2端口S参数的时域版本将表示为t11、t12、t21和t22。


图4. 单个1.69 m电缆模型S参数集的t11和t21时域图。幅度对时间(ns)。

注意，在t21图中，可以看到经过一条电缆的时延。延迟为7.971 ns。有多个来回反射到达端口2，但太小了、看不见。这条电缆的S参数的50MHz间隔导致总时间间隔T为20 ns。在表示经过电缆的7.971 ns插入延迟时，这足够了。

由于电缆Z0的阻抗值为40欧姆，S参数的参考阻抗为50欧姆，因此在电缆的开头和末尾将有一个反射，同时还会有其它多个来回反射。对t11，反射时间在记录的开始处，因此在信号来回传送、等于t21时延两倍的倍数时，将发生反射。所以，第一个来回反射的位置在15.94 ns处。其它多个来回反射非常小，所以看不到。在这个实例中，20ns的时间T很长，足以支持这第一个来回反射传送时间。


图5. 3条完全相同的1.69 m电缆模型模块级联起来的电路仿真器示意图。

另外一个要关注的是，由于50欧姆参考阻抗与电缆的40欧姆特性阻抗不匹配，因此在时间零上，电缆输入处也有一个反射。由于把S参数转换到时域时IFFT的泄漏和循环特点，这个脉冲的部分成分被反转到时间记录末尾。在对S参数集执行插补和再采样以及在时域中使用零填充时，这是一个重要细节。

现在看一下把这三条完全相同的S参数集级联起来，假设频率间隔仍是50 MHz到25 GHz，总时间T为20 ns。这个电路从上面图5所示的电路仿真器中获得。图6所示的频域幅度图与预期相符，三条电缆的S21在25 GHz时为-18 dB，而一条电缆时为-6 dB。

级联的S参数集被变换到时域，如图7所示。这些图显示了相位假信号的影响，导致时域脉冲不在正确的时间位置。一条电缆的延迟为7.971 ns，因此把这样三条电缆级联起来的延迟应该为23.9 ns。由于这个延迟长于S参数集20 ns的时间T，因此将发生假信号。在t21曲线中可以看到这一点，脉冲响应位于3.918 ns处，而不是23.9 ns处。看一下t11，还可以看出，反射假信号偏移到~7.8 ns的位置，而它的位置本应该在~47.8 ns。这是入射信号从端口1传送到端口2、再传回到端口1所用的时间。