Cách Phân Tích Méo Pha trong Đường Truyền

Mục tiêu chính trong tính toàn vẹn tín hiệu là đảm bảo tín hiệu được gửi từ một thành phần truyền đạt trên PCB đến thành phần nhận với sự khác biệt tối thiểu giữa hai tín hiệu. Tín hiệu tại bộ nhận sẽ không bao giờ hoàn toàn khớp với tín hiệu được gửi từ bộ truyền, nhưng nếu bạn cố gắng, bạn thường có thể đạt được sự gần gũi. Trong các giao thức nối tiếp tốc độ cao cực kỳ, miễn là sự méo mó là tối thiểu, bộ nhận có thể dễ dàng khôi phục tín hiệu thông qua bình đẳng hóa.

Khi chúng ta nghĩ về méo tín hiệu, thật cám dỗ để mặc định với méo không tuyến tính, chẳng hạn như méo hài hòa do một amplifier gây ra. Tuy nhiên, các kênh tuyến tính cũng tạo ra méo mó, mặc dù không xảy ra cắt ngọn. Vậy méo tuyến tính này đến từ đâu? Một hình thức thường bị bỏ qua là méo pha trong một đường truyền, làm thay đổi hình dạng sóng miền thời gian được nhìn thấy tại bộ nhận. Vậy các nhà thiết kế có thể tính toán như thế nào về hình thức méo này trên đường truyền? Đọc thêm để tìm hiểu về khía cạnh này của méo tín hiệu và tại sao nó quan trọng đối với tín hiệu tốc độ cao trên PCB.

Méo Pha trong Đường Truyền là gì?

Mép lệch pha chỉ là một dạng méo tín hiệu có thể xảy ra trên đường truyền trong một PCB. Méo lệch pha xảy ra khi các tần số khác nhau di chuyển với các vận tốc tín hiệu khác nhau do sự phân tán điện môi trong chất nền PCB. Bởi vì hằng số điện môi thay đổi theo tần số, vận tốc tín hiệu cũng thay đổi theo tần số. Kết quả là, các thành phần tần số khác nhau trong một đường truyền thực tế di chuyển với các vận tốc khác nhau.

Vận tốc Pha

Sự biến thiên vận tốc tín hiệu theo tần số được định lượng bằng vận tốc pha. Nói ngắn gọn, vận tốc pha được định nghĩa dựa trên tần số góc và hằng số truyền dẫn trên một kết nối:

Thuật ngữ “vận tốc pha” không thường được thảo luận giữa các nhà thiết kế kỹ thuật số, nhưng nó cực kỳ quan trọng đối với các nhà thiết kế hướng dẫn sóng và nhà thiết kế RF nói chung. Khi vận tốc pha là một hằng số (nghĩa là không phụ thuộc vào tần số), tất cả các thành phần tần số tạo nên phổ Fourier của một tín hiệu số tùy ý sẽ di chuyển với cùng một vận tốc. Khi vận tốc pha là một hàm số của tần số, luôn luôn sẽ có méo lệch pha. Trong các đường truyền thực tế, điều này luôn xảy ra, chỉ là vấn đề về mức độ và liệu các nguồn gây méo khác nhau sẽ tạo ra vấn đề nghiêm trọng về tính toàn vẹn tín hiệu trên một đường truyền hay không.

Nguồn Méo Khác

Lưu ý rằng, trong phần thảo luận trên, tôi chỉ đề cập đến sự méo pha trong đường truyền do sự phân tán điện môi. Còn có các nguồn gây méo khác như sau:

• Sự phân tán hình học: Điều này xảy ra trong một đường truyền thực tế do hình dạng của đường truyền và các điều kiện ranh giới áp đặt lên phương trình sóng cho đường truyền.
• Sự méo chế độ trong ống dẫn sóng: Tất cả các ống dẫn sóng đều có các chế độ riêng cụ thể, sẽ làm cho hằng số truyền sóng cho các chế độ truyền dẫn trở thành một hàm căn bậc hai của tần số ngay trên tần số cắt của một chế độ.
• Sự méo do suy giảm: Ngay cả trong các lớp phủ ít mất mát, hằng số truyền cho một đường truyền sẽ là một số phức. Cả phần thực và phần ảo đều là các hàm của tần số.
• Độ nhám của đồng: Trên các PCB thực tế, luôn có một số độ nhám của đồng trên một đường truyền thực tế. Độ nhám của đồng cũng là một nguồn gây phân tán do hiệu ứng bề mặt và nguyên nhân.
• Hiệu ứng sợi dệt: Đây vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu đang hoạt động (bao gồm cả bởi tôi) do bản chất giả ngẫu nhiên của hình học sợi dệt. Bản chất gần như tuần hoàn của sợi dệt trong các tấm PCB thực tế có thể thay đổi sự phân tán trong tất cả các khu vực được liệt kê ở trên.
• Khớp trở kháng và độ dài đường dẫn: Tin hay không, việc khớp trở kháng và độ dài đường dẫn ảnh hưởng đến sự méo dạng trên một đường truyền. Điều này là do, ngay cả với việc khớp trở kháng có tính chất điện trở, trở kháng tải của thành phần thu là phản ứng do dung lượng đầu vào của thành phần.

Tất cả những hiệu ứng này kết hợp lại để tạo ra một lượng phân tán tổng cộng nào đó trong đường truyền, và chúng đều góp phần vào sự méo dạng pha. Ngoại lệ là méo dạng suy giảm, chỉ gây suy giảm ở các tần số khác nhau: các thành phần tần số khác nhau sẽ di chuyển với cùng một tốc độ, nhưng chúng sẽ có các mức độ suy giảm khác nhau trong quá trình di chuyển. Có một yếu tố tóm tắt đẹp đẽ tất cả hành vi này trên một đường truyền (và đó không phải là S-parameters!): hàm chuyển của đường truyền.

Pha Quan Trọng trong Hàm Chuyển của Đường Truyền

Giai đoạn của một hàm truyền là quan trọng vì đó là dấu hiệu cho bạn biết sẽ có một số méo pha trong mạch, bao gồm cả trong đường truyền. Nói ngắn gọn, nếu pha của hàm truyền của đường dây là một hàm tuyến tính thuần túy của tần số, thì sẽ không có méo pha nào. Tuy nhiên, vẫn có thể có méo lệch suy giảm.

Để thấy rõ hơn, hãy xem một ví dụ sử dụng dữ liệu thực từ một stripline. Các biểu đồ dưới đây cho thấy hàm truyền (độ lớn và pha) của một stripline dài 25 cm với trở kháng nguồn và tải khớp với 50 Ohms trên một lớp phủ PCB 2106. Bộ thu có dung lượng đầu vào 1 pF (đây là một chút cao cho một số thành phần tốc độ cao nhưng đây là một ví dụ tốt). Hàm truyền này sử dụng hệ số hiệu chỉnh nguyên nhân được rút ra trong Zhang et al. (2009).

Từ biểu đồ độ lớn, chúng ta có thể thấy ngay lập tức rằng đường truyền hoạt động như một bộ lọc thấp qua, giống như người ta mong đợi! Tuy nhiên, ở đây chúng ta thấy rằng pha của hàm truyền là phi tuyến, vì vậy chúng ta biết sẽ có méo pha.

Ví dụ với Tín hiệu Giới hạn Băng thông

Để thấy rõ điều này, tôi đã sử dụng phép xấp xỉ bậc 7 cho dòng bit đầu vào 1 V dạng xung số. Cơ bản, băng thông của tín hiệu đầu vào bị giới hạn ở khoảng ~2 GHz, điều này đòi hỏi băng thông ít nhất 4 GHz ở bộ thu để khôi phục tín hiệu. Bằng cách sử dụng hàm chuyển đổi và tính toán phép biến đổi Fourier ngược, chúng ta có thể so sánh hình dạng sóng nhìn thấy ở bộ thu với hình dạng sóng ban đầu được đưa vào đường truyền:

Kết quả này có bình thường không? Rõ ràng là, khi hàm chuyển đổi có một pha không tuyến tính, có sự méo pha đáng kể trên đường truyền. Chỉ để so sánh, hãy nhìn vào cùng một đường, nhưng với tốc độ pha lan truyền được đặt thành không bằng cách đặt pha của hàm chuyển đổi thành không. Đồ thị dưới đây cho thấy tín hiệu đầu ra được tính toán với cùng một quy trình:

Wow! Rõ ràng là một pha phẳng tạo ra sự khác biệt lớn! Chúng ta có thể thấy rằng tín hiệu tại bộ nhận được giảm đáng kể như chúng ta mong đợi, nhưng dạng sóng đầu ra khớp chặt chẽ với hình dạng của dạng sóng đầu vào. Các thành phần tần số cao hơn được giảm như người ta mong đợi, nhưng rõ ràng là tín hiệu giới hạn băng thông 2 GHz của chúng ta vẫn được bảo toàn lớn và có sự méo hình tối thiểu.

Nếu bạn quen thuộc với lý thuyết đường truyền, thì bạn biết rằng điều kiện Heaviside có thể được sử dụng để xác định thiết kế đường truyền với sự méo hình tối thiểu. Thật không may, trong tình huống có sự phân tán rộng băng thông từ nhiều nguồn, cố gắng thiết kế theo điều kiện Heaviside trong suốt băng thông tín hiệu liên quan là không khả thi, đặc biệt khi các giao thức tuần tự tốc độ cao hiện đại có băng thông mở rộng qua nhiều chục GHz. Tôi sẽ tiếp tục thảo luận về khía cạnh này của thiết kế kết nối rộng băng thông trong các bài viết tương lai, nhưng hiện tại, điều quan trọng là phải có công cụ để giúp bạn thử nghiệm với các thiết kế đường truyền khác nhau khi bạn cố gắng đạt được sự méo hình tối thiểu và sự lệch trở kháng tối thiểu trong một số dung sai đã được quy định.

Nếu bạn là một nhà thiết kế PCB, bạn không cần phải thực hiện các phép tính méo pha một cách thủ công, bạn chỉ cần sử dụng bộ công cụ định tuyến và mô phỏng PCB phù hợp. Động cơ định tuyến trong Altium Designer® bao gồm một bộ giải quyết trường điện từ tích hợp từ Simberian, giúp tính toán hành vi tín hiệu băng thông rộng và có thể giúp bạn thiết kế các đường truyền tín hiệu với sự lệch pha tối thiểu trên các vật liệu và dệt cơ bản của PCB. Bạn cũng có thể sử dụng các công cụ mô phỏng trước và sau bố trí tích hợp để trích xuất một hàm chuyển đổi và xác định méo pha trong một đường truyền tín hiệu.
 
Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn chia sẻ dự án của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.