基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法及装置

摘要

本发明提供了一种基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法及装置，该方法和装置既可应用于一组两条耦合传输线中的串扰抵消，也可应用于一组n(n≥3)条耦合传输线中的串扰抵消。本发明方法在一组两条耦合传输线或者一组n(n≥3)条耦合传输线中先建立信道传输矩阵H，然后对信道传输矩阵H进行奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)，得到分解后的左酉矩阵，对角阵和右酉矩阵，根据H矩阵的SVD分解形式建立串扰抵消模型，即在一组两条传输线或者一组n(n≥3)条耦合传输线的输入端和输出端引入2个酉变换处理模块和1个信号处理模块对信号进行相应处理，使信道传输矩阵为单位阵，从而实现串扰抵消。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法。

背景技术

在高速高密度总线系统中，由于传输线间的串扰限制了信号的互连，所以 减小串扰已经成为了高速高密度总线系统设计中的重要课题。串扰是指电路系 统中有害信号从一个网络转移到相邻网络，两个网络之间的串扰主要是由于边 缘场产生的容性耦合和感性耦合所引起的，任何一对网络之间都存在串扰，比 如芯片，印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，互连件，以及其它非屏蔽 的高速高密度电路中。

在移动通信系统中，多输入多输出系统(Multiple-lnput Multiple-Output， MIMO)是用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，在多天线无线通信系 统中，发送端利用多个天线各自独立地发送信号，而在接收端利用多个天线接 收信号并恢复原始信息。如图1所示，图中描述了一个MIMO多天线系统模型， 发送端的每个天线都在独立地发送信号，同时接收端的每个天线都在接收信号， 接收的信号中包含发送端所有天线发送的信息。在这一点上，MIMO多天线系 统中接收信号与发送信号的关系，与高速高密度总线系统中耦合传输线上输出 信号与输入信号的关系类似，如图2所示的一组耦合传输线，每条传输线的输 出信号中包括了传输线所有输入信号的信息，既有通过本条传输线输入端输入 的信息，也有其他传输线耦合过来的串扰信号。基于这个原理，MIMO多天线 系统的一些技术就可以用来减小串扰或者进行串扰抵消。

一般来说，PCB板上的耦合传输线，其信号的输入输出可以表示成如图3 所示的关系图，把任何两个输入端和输出端之间都可以看成是一个信道，传输 线是信道，传输线间的信号耦合也是信道，信号在信道中传输，那么，耦合传 输线上输入端和输出端的信号关系就可以用信道传输矩阵来描述。

根据文献[Sendaula M，Sadiku M，Heiman R.Crosstalk computation in  coupled transmission lines[C].In：IEEE Proceedings of the SOUTHEASTCON  ′91，Williamsburg，1991，790-795.]，由于串扰的存在，在n条耦合传输线中，其 输出信号与输入信号的关系可用向量和矩阵来表示

$\hat{V}\left(x\right)=\mathrm{HV}\left(0\right)---\left(1\right)$

式中，H为一个n×n维矩阵，(x)为耦合传输线上的输出信号向量，V(0)为 耦合传输线上的输入信号向量。

现定义H为耦合传输线的信道传输矩阵，如式(2)所示。

$H=\left(\begin{array}{cccccc}{h}_{11}& h_{12}& .& .& .& h_{1n}\\ h_{21}& h_{21}& .& .& .& h_{1n}\\ .& .& & & & .\\ .& .& & & & .\\ .& .& & & & .\\ h_{n1}& h_{n2}& .& .& .& h_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

根据式(1)可知，H矩阵中的元素实际上是表明了输出信号与输入信号之间 的关系，对于如图3所示的耦合传输线中第i条传输线上的输出信号与输入信号 有如下关系

${\hat{v}}_i=h_{\mathrm{il}}{v}_1+h_{i2}{v}_2+...h_{\mathrm{in}}{v}_n---\left(3\right)$

式中，为第i条传输线上的输出信号，v_i(1≤i≤n)为第i条传输线 上的输入信号，h_ij(1≤i，j≤n)为H矩阵中的元素。

同样，根据S参数的定义，对于如图3所示端口命名的耦合传输线来说， 在端口匹配情况下，定义1，2，…，n端口为输入端口，n+1，n+2，…，2n端口为输 出端口时，可以得到用S参数所表示的第i条传输线上的输出信号如下

${\hat{v}}_i=S_{n+\mathrm{il}}{v}_1+S_{n+i2}{v}_2+...+S_{n+\mathrm{in}}{v}_n---\left(4\right)$

式中，为第i条传输线上的输出信号，v_i(1≤i≤n)为第i条传输线 上的输入信号，S_ij(1≤i，j≤n)为散射矩阵S中的元素。

由式(3)和式(4)可以得到在端口匹配情况下H矩阵中的元素与S参数之间 的关系如下

h_ij＝S_n+ij(1≤i，j≤n)           (5)

由于耦合传输线间的串扰是相互的，在所有传输线参数一致的情况下，H矩 阵是一个对称矩阵。

根据以上对信道传输矩阵的分析可以得到如下结论：如果能够使耦合传输 线的信道传输矩阵H为单位阵，那么耦合传输线中每条传输线上的输出信号就 等于输入信号，这时耦合传输线中传输线间的串扰就可以被消除。

本发明方法就是基于以上理论，在耦合传输线中先建立信道传输矩阵H， 然后对信道传输矩阵H进行奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)， 根据H矩阵的SVD分解形式在耦合传输线的输入端和输出端对信号分别进行 相应的处理，使处理后的耦合传输线信道传输矩阵为单位阵，从而实现串扰抵 消。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰 抵消方法。

方法一：应用于一组两条耦合传输线中的串扰抵消方法。

如图4所示，图中给出了两条平行耦合传输线，此时，两条耦合传输线的 信道传输矩阵H用S参数可表示为

$H=\left(\begin{array}{cc}{S}_{31}& S_{41}\\ S_{32}& S_{42}\end{array}\right)---\left(6\right)$

在忽略二次串扰即弱耦合情况下，H矩阵中的元素

S₃₁＝S₄₂＝1                (7)

S₄₁＝S₃₂＝-j△kl                  (8) 式中，$\mathrm{\Delta k}\approx \frac{\omega }{{2Z}_0}(L_{12}+C_{12}{Z_0}^2);$l为传输线的长度。

把式(7)和式(8)带入到式(6)中，可得

$H=\left(\begin{array}{cc}1& -\mathrm{j\Delta kl}\\ -\mathrm{j\Delta kl}& 1\end{array}\right)---\left(9\right)$

根据矩阵的SVD分解方法，通过对HH^H和H^HH求解特征值及特性向量 后，可以得到H矩阵的SVD分解形式如式(10)所示。

H＝UAV^H                     (10) 式中，A为对角矩阵，U、V为酉矩阵，且有

$A=\left(\begin{array}{cc}1-\mathrm{j\Delta kl}& 0\\ 0& 1+\mathrm{j\Delta kl}\end{array}\right),V=U=\left(\begin{array}{cc}\frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\\ \frac{\sqrt{2}}{2}& -\frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right)---\left(11\right)$

根据酉矩阵的性质可知，U^-1＝U^H，(V^H)^-1＝(V^-1)^-1＝V，再观察式(10)可 知，如果先对矩阵H左乘矩阵U^H，然后再右乘矩阵V，就可以使信道传输矩 阵H变为对角阵。

$U^H\mathrm{HV}=U^H\mathrm{UA}{V}^{H}V=A=\left(\begin{array}{cc}1-\mathrm{j\Delta kl}& 0\\ 0& 1+\mathrm{j\Delta kl}\end{array}\right)---\left(12\right)$

从式(12)中可以看出，如果在耦合传输线的输入端和输出端分别进行如矩阵 U^H和矩阵V所示的酉变换，就可以化H矩阵为对角阵，再分别对每条传输线 进行合适的信号处理，就可以化H矩阵为单位阵，这样输出信号就等于输入信 号，从而实现了串扰的抵消，把H矩阵化简为单位阵的过程如式(13)所示。

$\left(,\begin{array}{c}{U}^H{\mathrm{HVA}}^{-1}=\left(\begin{array}{cc}\frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\\ \frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right)H\left(\begin{array}{cc}\frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\\ \frac{\sqrt{2}}{2}& -\frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{1-\mathrm{j\Delta kl}}& 0\\ 0& \frac{1}{1+\mathrm{j\Delta kl}}\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)\end{array}\right)---\left(13\right)$

为了解决PCB上两条耦合传输线间的串扰问题，本发明提供一种针对两条 耦合传输线的基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法，其特征在于，串 扰抵消方法包括以下步骤：

a)在两条耦合传输线的输入端对两路输入信号进行第一次酉变换处理；

b)第一次酉变换处理后的两路信号在两条耦合传输线上传输；

c)在两条耦合传输线的输出端对待输出的两路信号进行第二次酉变换处 理；

d)在两条耦合传输线的输出端对待输出的两路信号进行第二次酉变换处理 后再进行信号处理，并输出。

其中，所述串扰抵消方法应用于所述耦合传输线中数量等于2的一组耦合传输 线或者多组耦合传输线。

其中，所述在两条耦合传输线的输入端对输入信号进行第一次酉变换处理，该 酉变换处理方法为将输入信号向量左乘U^H矩阵，其中，矩阵U^H为对矩阵H进 行奇异值分解后得到的左酉矩阵U的共轭转置矩阵。

其中，所述在两条耦合传输线的输出端对待输出信号进行第二次酉变换处理， 该酉变换处理方法为将待输出信号向量右乘矩阵V，其中，矩阵V为对矩阵H 进行奇异值分解后得到的右酉矩阵V^H的共轭转置矩阵。

其中，所述在两条耦合传输线的输出端对待输出的两路信号进行第二次酉变换 处理后再进行信号处理，该信号处理方法为将待输出的两路信号向量再右乘矩 阵(U^HHV)^-1，其中，矩阵(U^HHV)^-1是矩阵H奇异值分解后得到的对角阵A的 逆矩阵。

根据式(13)，在经过以上一系列信号处理过程后，信道传输矩阵H就近似 地化为单位阵，传输线间的串扰就得以消除。

针对方法一中的串扰抵消方法，本发明还公开了一种基于耦合传输线信道 传输矩阵的串扰抵消方法装置，包括：

a)第一次酉变换处理模块，其设置于两条耦合传输线的输入端，用于对耦

合传输线上的输入信号向量进行左乘矩阵U^H动作；

b)第二次酉变换处理模块，其设置于两条耦合传输线的输出端，用于对耦 合传输线上的待输出信号向量进行右乘矩阵V动作；

c)信号处理模块，其设置于两条耦合传输线输出端的第二次酉变换处理模 块后，用于将待输出信号向量再进行右乘矩阵(UH^HV)^-1动作。

其中，所述串扰抵消装置应用于所述耦合传输线中数量等于2的一组耦合传输 线或者多组耦合传输线。

其中，第一次酉变换处理模块和第二次酉变换处理模块在两条耦合传输线上的 位置可以互换。

方法二：应用于一组n(n≥3)条耦合传输线中的串扰抵消方法。

如图2所示的一组n(n≥3)条耦合传输线，先求得其信道传输矩阵H，然 后对矩阵H进行SVD分解，得到矩阵H的SVD分解形式如式(14)所示。

H＝UAV^H            (14) 式中，U、V为酉矩阵，A为对角矩阵。

根据对n(n≥3)条耦合传输线信道传输矩阵H进行SVD分解的结果，本发 明提供一种针对一组n(n≥3)条耦合传输线的基于耦合传输线信道传输矩阵的 串扰抵消方法，其特征在于，串扰抵消方法包括以下步骤：

a)在一组n(n≥3)条耦合传输线的输入端对n路输入信号进行第一次酉变 换处理；

b)第一次酉变换处理后的n路信号在n(n≥3)条耦合传输线上传输；

c)在一组n(n≥3)条耦合传输线的输出端对待输出的n路信号进行第二次

酉变换处理；

d)对待输出的n路信号进行第二次酉变换处理后再进行信号处理，并输出。 其中，所述串扰抵消方法应用于所述耦合传输线中数量大于等于3的一组耦合 传输线或者多组耦合传输线。

其中，所述在一组n(n≥3)条耦合传输线的输入端对n路输入信号进行第一次 酉变换处理，该处理方法为将输入的n路信号向量左乘矩阵U^H，其中，矩阵U^H为对矩阵H进行奇异值分解后得到左酉矩阵U的共轭转置矩阵。

其中，所述在一组n(n≥3)条耦合传输线的输出端对待输出的n路信号进行第 二次酉变换处理，该处理方法为将待输出的n路信号向量右乘矩阵V，其中， 矩阵V为对矩阵H进行奇异值分解后得到的右酉矩阵V^H的共轭转置矩阵。

其中，所述在第二次酉变换处理后再进行信号处理，信号处理方法为将第二次 酉变换处理后输出的n路信号向量右乘矩阵(U^HHV)^-1，其中，矩阵(U^HHV)^-1是矩阵H奇异值分解后得到的对角阵A的逆矩阵。

在经过以上一系列信号处理后，一组n(n≥3)条耦合传输线的信道传输矩 阵H就近似地化为单位阵，传输线间的串扰得以消除。

针对方法二中的一组n(n≥3)条耦合传输线的串扰抵消方法，本发明还公 开了一种基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法装置，包括：

a)第一次酉变换处理模块，其设置于一组n(n≥3)条耦合传输线的输入端， 用于对其上的输入信号向量进行左乘矩阵U^H动作；

b)第二次酉变换处理模块，其设置于一组n(n≥3)条耦合传输线的输出端， 用于对其上的待输出信号向量进行右乘矩阵V动作；

c)信号处理模块，其设置于第二次酉变换处理模块后，用于将第二次酉变 换处理模块的输出信号向量右乘矩阵(U^HHV)^-1。

其中，所述串扰抵消装置应用于所述耦合传输线中数量大于等于3的一组耦合 传输线或者多组耦合传输线。

其中，第一次酉变换处理模块和第二次酉变换处理模块在一组n(n≥3)条耦合 传输线上的位置可以互换。

实施本发明所公开的基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法和装 置，能够减小高速高密度总线系统的串扰。

附图说明：

图1是一个MIMO多天线系统模型；

图2是一组n条耦合传输线图；

图3是一组n条耦合传输线上的输出信号与输入信号关系图；

图4是两条平行耦合微带传输线图；

图5是本发明所提供的第一实施方式的串扰抵消图；

图6是本发明提供的第一实施方式所用的装置图；

图7是本发明所提供的第二实施方式的串扰抵消图；

图8是本发明提供的第二实施方式所用的装置图；

实施方式

实施方式一：

为解决背景技术中提到的串扰问题，本实施例公开了一种应用于两条耦合 传输线上的基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法。本方法是在一组两 条耦合传输线上进行信号酉变换处理和信号处理，使得这两条耦合传输线的信 道传输矩阵H变为单位阵，从而实现串扰抵消。

本实施例的主要实施步骤如附图5所示，包括：

a)在两条耦合传输线的输入端将两路输入信号进行第一次酉变换处理，第 一次酉变换处理过程为先将每路信号分别乘以系数然后第1路信 号加上第2路信号得到新的第1路信号，第1路信号减去第2路信号得 到新的第2路信号；

b)将信号映射到耦合传输线的2路传输线并行传输；

c)在两条耦合传输线的输出端将接收到的2路信号进行第二次酉变换处理， 第二次酉变换处理过程为先将每路信号分别乘以系数然后第1路 信号加上第2路信号得到新的第1路信号，第1路信号减去第2路信号 得到新的第2路信号；

d)在c步骤后对两路信号分别使用RC滤波器进行高频滤波，然后输出。 本实施例公开的串扰抵消方法可以应用于耦合传输线中数量为2条的一组 耦合传输线或者多组耦合传输线。

本实施例公开的方法在两条耦合传输线的输入端将两路输入信号进行酉变 换处理，该酉变换处理过程为先将每路信号分别乘以系数但该系数不是 唯一的，可以是符合条件的任意数。在耦合传输线的输出端将接收到的2路信 号进行酉变换处理，该酉变换处理过程为先将每路信号分别乘以系数但 该系数也不是唯一的，可以是符合条件的任意数。

本发明的实施例提供了一种应用于两条耦合传输线的基于耦合传输线信道 传输矩阵的串扰抵消装置，该装置如附图6所示，包括部件A、第一次酉变换 处理模块、两条并行的传输线、第二次酉变换处理模块、信号处理模块和部件B (部件A和部件B可以是片上系统中的中央处理器和存储器，或者是通过总线 互连的其他部件)。

当高速高密度电路系统的部件A和部件B中进行互连时，该装置在两条耦 合传输线输入端的第一次酉变换处理模块把两条传输线输入端每条传输线上的 信号分别乘以系数然后，第1路信号加上第2路信号得到新的第1路信 号，第1路信号减去第2路信号得到新的第2路信号；将信号映射到2路传输 线并行传输；在两条传输线输出端的第二次酉变换处理模块将接收到的2路信 号进行第二次酉变换处理，该酉变换处理过程为先将每路信号分别乘以系数 然后第1路信号加上第2路信号得到新的第1路信号，第1路信号减去 第2路信号得到新的第2路信号；在上述处理后对两路信号分别使用RC滤波 器进行高频滤波，然后输出。

本实施例中公开的对输入信号进行第一次酉变换处理模块和对待输出信号 进行第二次酉变换处理模块在两条耦合传输线上的位置可以互换。

本实施例中提供了一种应用于两条耦合传输线的基于耦合传输线信道传输 矩阵的串扰抵消装置，当本发明方法应用于多组两条耦合传输线时，是对本发 明方法应用于数量等于2条的一组耦合传输线时的重复使用。

实施方式二：

如附图7所示，本实施例公开了一种应用于一组n(n≥3)条耦合传输线的 基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法。本实施例的主要实施步骤如附 图7所示，包括：

a)在一组n(n≥3)条耦合传输线的输入端对n路输入信号进行酉变换处理；

b)处理后的n路信号在耦合传输线上传输；

c)在一组n(n≥3)条耦合传输线的输出端对待输出的n路信号进行第二次 酉变换处理；

d)在一组n(n≥3)条耦合传输线的输出端对待输出的n路信号进行第二次 酉变换处理后再进行信号处理，并输出。

本实施例公开的串扰抵消方法可以应用于耦合传输线中的一组n(n≥3)条 传输线或者多组n(n≥3)条传输线。

本实施例公开的方法在耦合传输线的输入端将n路输入信号进行酉变换处 理，该处理方法是对输入信号向量左乘矩阵U^H，其中矩阵U^H是该耦合传输线 信道传输矩阵经过SVD分解后所得到的左酉矩阵U的共轭转置矩阵。在耦合传 输线的输出端将n路待输出信号进行第二次酉变换处理，该处理方法是对待输 出信号向量左乘矩阵V，其中矩阵V是该耦合传输线信道传输矩阵经过SVD 分解后所得到的右酉矩阵V^H的共轭转置矩阵。在耦合传输线的输出端将n路待 输出信号进行第二次酉变换处理后再进行信号处理，该处理方法是对第二次酉 变换处理后的信号向量右乘矩阵(U^HHV)^-1。

本发明的实施例提供了一种应用于一组n(n≥3)条耦合传输线的基于耦合 传输线信道传输矩阵的串扰抵消装置，该装置如附图8所示，包括部件A、第 一次酉变换处理模块、一组n(n≥3)条耦合传输线、第二次酉变换处理模块、 信号处理模块和部件B(部件A和部件B可以是片上系统中的中央处理器和存 储器，或者是通过总线互连的其他部件)。

当高速高密度电路系统的部件A和部件B中进行互连时，该装置在耦合传 输线输入端的第一次酉变换处理模块把耦合传输线输入端n路输入信号进行第 一次酉变换处理；将处理后的n路信号映射到耦合传输线的n路传输线并行传 输；在耦合传输线输出端的第二次酉变换处理模块将接收到的n路信号进行第 二次酉变换处理，第二次酉变换处理后信号再经过信号处理模块，然后输出。

本实施例中公开的对输入信号进行第一次酉变换处理模块和第二次酉变换 处理模块在耦合传输线上位置可以互换。

本实施例中提供了一种应用于一组n(n≥3)条耦合传输线的基于耦合传输 线信道传输矩阵的串扰抵消装置，当本发明方法应用于多组n(n≥3)条耦合传 输线时，是对本发明方法应用于一组n(n≥3)条耦合传输线时的重复使用。

以上对本发明所提供的一种基于耦合传输线信道传输矩阵的串扰抵消方法 进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐 述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时， 对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围 上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。