船岸数据通信装置信号线电磁辐射分析.pdf

NAVIGATION OF CHINASep.20232023年9 月Vol.46.No.3中第46 卷第3期海国航文章编号：10 0 0=46 53（2 0 2 3)0 3-0 10 5-0 6船岸数据通信装置信号线电磁辐射分析李昭然，金华标，徐士甲（武汉理工大学船海与能源动力工程学院，湖北武汉430 0 6 3）摘要：为保证船岸数据通信装置稳定性，减少电磁辐射，提出优化设计方法，将船岸通信装置中印制电路板（Prin-tedCircuitBoards，PCB）串口、SD卡信号线进行建模，通过仿真得出信号线的S参数、串扰等数据，进行多种信号线的电磁耦合特性分析。研究结果表明：通过对PCB重新布局设计，将重新设计的PCB信号线进行仿真对比并进行数据测试，得出采用减少过孔直径、加宽信号线等方法，可降低PCB串口差分信号线串扰，提高SD卡信号线传输效率。该研究成果对于船岸数据通信装置信号完整性的设计提供一定参考。关键词：船岸数据通信装置；印制电路板；S参数；串扰；信号完整性中图分类号：U665.26文献标志码：AD0I:10.3969/j.issn.1000-4653.2023.03.015Electromagnetic radiation analysis of signal lines in shipshore data communication devicesLI Zhaoran,JIN Huabiao,XU Shijia(School of Naval Architecture,Ocean and Energy Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)Abstract:The technologies for reducing electromagnetic radiation and improving the stability of ship-shore datacommunication is introduced.The serial ports on PCB（Pr i n t e d Ci r c u i t Bo a r d s)a n d t h e SD c a r d s i g n a l l i n e s i n t h einterested communication device is modeled and simulated to find the S parameters and the crosstalk phenomena of thesignal lines.The electromagnetic coupling characteristics for different layouts are analyzed and the structure is redesigned.Reducing the diameter of vias and increase the width of signal lines are proved to be the effective measures to reduce thecrosstalk of differential signal lines of PCB serial ports and improve the transmission efficiency of SD card signal lines.Key words:ship-shore data communication device;PCB;scatter parameter;crosstalk;signal integrity随着船舶自动化程度的增加，越来越多的高速信号集成设备应用于船舶机舱内部，为保证各个设备之间不受彼此的电磁干扰，电子装备必须满足电磁兼容的要求。船岸数据通信装置作为连接船舶与岸端的关键单元，在船舶内部电压脉冲不稳定以及频率变化的情况下，对其信号传输稳定性提出更高要求。我国对电磁兼容研究起步较晚，船舶领域电磁兼容的研究也比较匮乏，导致在船舶应用级产品中出现许多电磁兼容性问题2】，特别是信号线设计会造成信号传输干扰3，进而影响到船岸数据通信装置的稳定性。根据文献4 研究表明在选取的18套航行记录仪的样品中，有13套来自中国的样品某些指标不合格而不能通过电磁兼容测试。其中，印制电路板（Printed CircuitBoards,PCB）材料的选取、参数设置和信号线布局都会对PCB信号的传输产生干扰，引发信号完整性问题5。文献6 以第四代双倍速率同步动态随机存储器（DoubleDataRate Synchronous Dynamic Random Access Memory 4,DDR4）高速并行总线作为仿真对象，通过改变DDR4结构参数以及并联端接提升信号完整性。文献7 通过CadenceSigrity软件调用高速串行收发收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 5基金项目：绿色智能内河船舶创新专项资助（工信部装函2 0 19 358 号）作者简介：李昭然（1995一），男，硕士生，研究方向为船舶电磁兼容。E-mail:引用格式：李昭然，金华标，徐士甲.船岸数据通信装置信号线电磁辐射分析J.中国航海，2 0 2 3，46（3）：10 5110.LI Z R,JIN H B,XU S J.Electromagnetic radiation analysis of signal lines in ship shore data communication devicesJ.Navigation ofChina,2023,46(3):105-110.(in Chinese)中海航国第46 卷第3期106器(Gigabyte Transceiver X,GTX)的 IBIS(Input/Out-putBuffer Information Specification）模型进行信号完整性仿真，但对于超6 Gbps速率还是会出现串扰等干扰。文献8 分析S参数在信号完整性作用，并将遗传算法融到传输线设计中，分析阻抗以及过孔对信号完整性的影响，但对传输线表面粗糙程度以及过孔粗糙程度并未进行分析。经文献研究，目前，由于船舶机舱内环境的复杂性以及产品级设计没有进行专门的设计与研究，对船岸通信装置PCB信号线电磁辐射分析的研究较少。与陆地通信装置不同的是，船舶内电压脉冲不稳定，频率变化大，容易产生数据传输失败，电磁辐射较大等现象。其中，船岸数据装置中含有多种信号线与外部其他装置进行通信，为保证数据通过4G网络顺利传输，本文主要以船岸数据通信装置信号线的散射与串扰特性作为主要研究对象，通过CadenceSigrity软件对PCB信号线进行参数提取，将仿真结果导入先进设计系统（AdvancedDesignSystem，A D S）进行联合仿真，研究信号线布局、过孔等因素对信号完整性的影响，并通过试验及测试对其进行验证，对船岸数据通信装置设计提供参考。1信号线电磁特性分析对于信号线电磁特性来讲，传输线的散射和串扰特性是重点考虑因素，若传输线存在过大的反射和串扰现象，则会引起信号丢失以及信号质量退化现象，对主控板的信号完整性产生影响。因此，本文以传输线的散射和串扰两种电磁辐射特性作为研究对象，通过探究其S参数、眼图等特征进行仿真，并进行制板对比测试。1.1传输线散射分析对于PCB信号完整性，传输线散射代表信号传输的效率和阻抗匹配的程度，如果信号在传输中遇见阻抗不连续的点或者不同介质、不同物理结构的情况，部分信号会发生反射现象。随着信号频率日渐加大，当信号频率超过1CHz时，传输线面临的信号完整性分析需要应用S参数的行为模型进行研究9。该模型不用考虑传输线的互联结构，只需要在端口处的参量就可描述出所有的行为特点，主要关注的是端口的激励与响应之间的关系，常用S参数来表示插人损耗、回波损耗等信号特性。S参数采用了端口功率波的概念表达端口的信号特性，二端口网络人射波与反射波模型见图1，表征线性二端口网络的矩阵为1Portl二端口网络Port2图1二端口网络Fig.12-port network(1)SS式(1)中：（x=1,2）和b,（y=1,2)分别为阻抗归一化的入射信号和反射信号电压；矩阵中的Sx,即为S参数。通常使用幅度来表示S参数，dB,有输出信号的幅度S(幅度)(2)输人信号的幅度S.幅度的绝对值称为反射损耗或回波损耗，表示信号从端口1输人并从端口1反射输出；S2的绝对值成为插入损耗或传输损耗，表示信号从端口2输入并从端口2 输出。通过对端口参数的设置以及外部电路的加载，可更好地表示出信号线的散射特性10 1.2传输线串扰分析当PCB上走线比较密集时，传输线之间的串扰问题就变得尤为突出。此类干扰现象的产生原因是信号在传输线上进行传播时，相邻近的传输线之间会产生电磁耦合的干扰,形成对电压的影响,其等效分析模型见图2。传输线ACM传输线B图2耦合线等效电路Fig.2Coupling line equivalent circuit传输线A作为产生信号的传输线，称为干扰线；传输线B作为产生电压噪声的传输线，称为被干扰线。对于被干扰线来讲，将距离信号源近端产生的电压噪声称为近端串扰；将距离信号源远端产生的噪声干扰称为远端串扰。近端串扰和远端串扰的大小可用系数来表示，假定被干扰线和干扰线阻抗Z。相同，电容值Co，自感系数Lo，传输线长度Len，耦合系数为互感LM和互容CM，串扰系数计算为NVEXTV1CML+(3)V4CoLLaCMFFEXT1LMRT(4)V2CL式（3）和式（4）中：NNExT为近端串扰系数；FFExT为远李昭然，号线电磁辐射分析微据用信107端串扰系数;R为信号上升时间。根据式（3）和式（4）可得出两个传输线的间距和长度直接影响着串扰系数，线间距越大，长度越短，串扰系数越小，能更好地保证信号完整性。2信号线仿真分析本文研究的船岸数据通信装置采用STM32F407作为主控芯片（MicrocontrollerUnit，MCU），PCB采用FR4材料，层叠数为2 层，板层总厚度为1.6 mm，信号线宽度为0.3mm，阻抗匹配设置为50 Q。试验仿真分析对象为MCU与SD卡、串口（USART1）的互联信号线。仿真使用CadenceSigrity软件对目标信号线进行端口设置以及S参数提取，将导出S参数的.snp文件导人进ADS进行联合仿真。2.1串口信号线仿真串口作为MCU与其他装置通信的重要信号线，数据交互较为频繁，因此，对其电磁特性仿真显得尤为重要。为此，使用Cadence SigrityPower SI组件使能MCU端口与串口端口，仿真频率为0 2 GHz，采用自适应仿真模式，得出的串口混合S参数模型见图3。-10r0-20-1-30-40-2-50-3-60-400.51.01.52.000.51.01.52.0频率/GHz频率/GHz(a）立端口1差模，端口2 共模（b）端口1差模，端口2 差模0-10rHP/SS-20-5-30-10-40-15-50-20-60L00.51.01.52.000.51.01.52.0频率/GHz频率/GHz（c）端口1共模，端口2 共模（d）端口1共模，端口2 差模图3串口混合S参数模型Fig.3Serial port mixed S parameter model共模电流指任意载流导线和参考地之间的无用电位差形成的电流；差模电流指任意两条载流导线之间的无用电位差形成的电流，两者电流的电磁辐射特征并不一致，但都是信号线电磁辐射特性的重要影响因素通过对端口1的差共模的激励，得到端口2 的差共模相应。由图3可知：差模-差模曲线和共模-共模曲线趋势一致，但差模-差模曲线谐振点约在0.600GHz，插损最小为-3.8 dB；共模-共模曲线的谐振点为1.135CHz，插损最小为-19.0 dB。由此差模电流与共模电流的传输和辐射特性的不一致性得到验证，并且共模电流损耗更大，辐射更加严重，是影响辐射的关键因素。将仿真后产生的.s4p文件导入ADS中的拓扑电路见图4。图4中：激励电压设置为1V，延迟设置为0 ns，上升时间为1.0 0 ns，仿真停止时间为20.00ns,仿真间隔为0.0 1ns,端接电阻均设置为50Q，以端口1和端口3互连线作为干扰线，端口2 和端口4互连线作为被干扰线，Vn作为近端串扰，Vf作为远端串扰，得到的串扰曲线图见图5。TRANSIENTTranTranl停止时间=2 0.0.ns仿真间隔-0.0 1ns13VtStep1R=502SRCIVn24vfRRDelay-0nsRSnPR2Rise=lnsR=50QSnP1R=50Q图4串串口网络拓扑图Fig.4Serial port network topology diagram150m,=-110mV100m2=109mV50m3=6mVm30-50近端串扰-100远端串扰-15002468101214161820t/s图5近端串扰和远端串扰电压噪声曲线Fig.5Near end crosstalk and far end stringvoltage noise curve对提取串口信号线进行眼图仿真测量，针对300Mbps、50 0 M b p s.和7 0 0 Mbps等3种不同的传输速率进行眼图仿真，得到串口信号线眼图见图6。1.01.00.80.80.6之0.60.4值0.40.20.200-0.25-0.25012 3456701.02.03.04.0t/st/s(a)300 Mbps(b)500Mbps1.21.0入/置0.80.60.40.20-0.200.51.01.52.0 2.53.0t/s(c)700 Mbps图6串口信号线眼图Fig.6Serial port signal eyelet diagram中国108海航第46 卷第3期串口信号线存在略大的串扰噪声如图5所示，点m表示噪声最大值为110 mV；点m表示噪声最大值为10 9mV。随着传输速率提高，眼高逐渐降低，眼宽逐渐变窄，信号抖动逐渐增强，传输质量逐渐降低见图6。为改善串口信号线串扰的产生，在PCB进行布线时应遵守3W法则，减少耦合线长度，适当拓宽线间距。为提高串口信号线的信号完整性，减少信号线之间的串扰，从信号线耦合长度，耦合线之间距离进行仿真分析。使用ADS对仿真电路进行搭建，耦合线间初始间距设置为2 0 mil(1mil=0.0254mm），最大间距为40 mil，仿真步长设置为5mil；仿真停止时间设置为3.0 ns，仿真步长设置成0.2 ns。仿真拓扑电路见图7，耦合线间距仿真分析结果见图8。TRANSIENTBATCHSIMULATIONVarVAREqnVAR1Tran初始间距=2 0 milS,=20 milTranl最大间距=40 mil停止时间=3.0 ns仿真步长=5mil仿真间隔=0.2 nsRRVtStepR=50Q厂SRCIVnVfViow=OvMCLINRCLinlRR3R2Subst=MSublDelay=O nsR=50QW=12milR-50QRise=lnsS-S,milL=1000mil图7耦合线间距仿真拓扑电路Fig.7Coupled line spacing simulation topology circuit10r40mil835mil6-30mil25mil20mil420mil-25mil230mil35mil040mil50.51.01.52.02.53.000.51.01.52.02.53.0t/st/s(a)）近端串扰曲线（b）远端串扰曲线图8串扰仿真曲线Fig.8Crosstalk simulation curve由图8 可知：随着耦合间距的增大，近端串扰和远端串扰逐渐降低，信号传输质量较优化前有所提高。根据传输线3W法则以及PCB实际布局考虑，耦合间距为2 0 mil已符合通信需求。使用SigrityPowerSI软件将整改后的串口信号线进行S参数提取，其差分S参数模型见图9。图9中：仿真后差模-共模曲线和仿真前相比谐振点最小值为-42 dB,较之前减少6 dB;共模-共模曲线仿真后谐振点频率为0.8 9CHz，插损为-2 1dB,较仿真前减少3dB；共模-差模曲线谐振点频率为1.7 5CHz,插损为-6 0 dB。由于共模-共模曲线和共模-差模曲线谐振点赋值较小，不会对串口信号线信号传输产生过多影响。0r0优化前-20一优化辰-1-40-2-60-优化前-80一优化后-3-100L-400.51.01.52.000.51.01.52.0频率/GHz频率/GHz（a）端口1差模，端口2 共模（b）端口1差模，端口2 差模0Or-5-20-10-40-15-60优化前优化前-20优化后-80一优花后-25L-100L00.51.01.52.000.51.01.52.0频率/GHz频率/GHz（c）端口1共模，端口2 共模（d）端口1共模，端口2 差模图9优化前后串口混合S参数模型Fig.9Optimized serial port mixed S parameter model针对30 0 Mbps、50 0 M b p s 和7 0 0 Mbps等3种传输速率进行眼图仿真，仿真初始条件设置均与第一次眼图仿真设置相同，3种不同传输速率条件下的眼图仿真结果见图10。0.70.70.60.60.50.5入/0.40.40.30.30.20.20.10.10123456700.51.01.52.02.53.03.54.0t/st/s(a)300 Mbps(b)500 Mbps0.7;0.60.5入/0.40.30.20.100.51.01.52.02.53.0t/s(c)700 Mbps图10优化后串口信号线眼图Fig.10Optimized serial port signal eyelet diagram与初次仿真串口信号眼图相比，通过改善耦合线间距，在30 0 Mbps、50 0 M b p s 和7 0 0 Mbps等3种通信速率下，信号传输有着良好的眼高和眼宽，在信号传输速率较高的时候，信号较整改之前抖动降低，保证串口信号线的信号完整性。2.2SD卡信号线仿真分析为防止船舶机舱内部4G信号不稳定造成数据与上位机传输失败的问题，在此船岸数据通信装置PCB上进行SD卡设计，此设计目的为当装置断网时可将实时采集数据传输至SD卡中进行本地缓存。此装置采用标准SD卡，其具有9个引脚，其李然，号线电磁辐射分析做据用信109中，数据线有SDIO_DO、SD IO _D 1、SD IO _D 2 和SDIO_D3等4条，最高每秒可传输2 4M字节数据。为保证SD卡信息存储的实时性和有效性，SD卡硬件电路见图11。VCC3V3U305SDIO_D2DATA29R47KSDIOD3CD/DATA31R47K2SDIOCMDR47KCMDVSS3VDD45SDIOCKCLKCR314VSS6DATAO7SDIODR47K8SDIOD.R47KDATAICD10GND1112WPGNDSDCARD(a）SD 卡原理图C17202E103RIC7E:06C124741112EMCUO2JSC37U602（b）SD 卡布线图图11SD卡硬件电路图Fig.11SD card hardware circuit diagram设计SD卡硬件电路包含SD卡、保护电阻和端接电容。其中，电阻的作用为在芯片与3.3V供电网络之间起到保护作用，同时，串联端接电阻能保证阻抗的连续性，减小信号的反射。与SD卡并联的电容起到滤波作用，将不平整的信号过滤，从而保证SD卡能顺利存储船舶行驶状态等信息。从PCB实际布局考虑，SDIO_DO等4条信号线均需要进行过孔布线如图11b白线所示（PCB省去部分GND网络）。PCB中过孔可等效为线路中的阻抗，其阻抗可等效为LC电路，等效模型见图12。LCGND图12过孔等效LC电路Fig.12Via equivalent LC circuit diagram由文献7 可知：在PCB厚度、相同材料和孔径厚度不变的情况下，减小孔径相当于减小寄生电容，进而减少信号的边沿上升时间，改变传输链路上的反射干扰。由于SD卡4条信号线在PCB中走线规则、线宽和过孔数量相同，所以用SDIO_DO信号线为例，对不同孔径下的信号传输线进行S参数提取，优化前过孔孔径为0.5mm，优化后孔径为0.3mm，两次仿真曲线见图13。0AP/乐SS-5-10-15优化前-20一优化后-2500.51.01.52.0频率/GHz图13SDIO_DO数据线仿真曲线Fig.13SDIO_ DO data line simulation diagram图13中：虚线为过孔孔径0.5mm的SDIO_D0信号线S参数曲线，并未出现明显的谐振点，回波损耗在大部分频率下均未超过-5dB；实线为通过减少孔径至0.3mm的SDIO_DO信号线S参数曲线，在1.5CHz附近出现谐振点，回波损耗为-2 1dB。与优化前相比，优化后的信号线S参数模型出现了明显谐振点，且回波损耗在任意频率下较优化前有明显降低。通过将孔径降低0.2 mm，优化SD卡信号线输人端的反射系数，对整个系统存储效率进行了提高，降低信号传输链路的干扰。3试验验证通过对PCB合理布局，将MCU以及外部晶振移动至PCB中央，增大串口信号线的间距和长度；降低SD卡信号线长度和过孔孔径。同时，改善其他模块布局，并改善电源回流路径，改版后PCB与未改版PCB对比见图14。通过示波器对两块PCB串口进行波形测量，得到的改版前和改版后的波形对比见图15。改版前改版后图14新旧PCB对比Fig.14Comparison between new and old PCBs通过示波器对两块PCB串口数据线进行波形抓取，改版前的串口信号线存在5次明显抖动，经过下转第12 5页）中110海国航第46 卷第3期重新设计的PCB的串口数据线信号有3次明显抖动，并且抖动时间更短，使信号恢复稳定时间较短，能保证更好的信号完整性。对改版后的SD卡进行测试，通过示波器抓取新旧主控板的SDIO_DO信号线波形，其波形对比见图16。改版前改版后图15改版前后串口信号线波形对比Fig.15Serial port signal line waveform comparison改版前改版后图16改版前后SDIO_DO信号线波形对比Fig.16SDIO_ DO signal line waveform comparison由图16 可知：改版后的SDIO_DO信号线波形更加稳定，上冲与过冲幅度较小，信号抖动较改版前有明显改善，证明通过将过孔孔径降低至0.3mm，能够有效提升信号传输速率。将改版后的PCB安装在实船富航6 399号，通过与上位机进行联调测试数据记录，得出半个月之内的船舶经纬度的位置信息曲线，以验证改良后的PCB的稳定性，具体曲线见图17。纬度经度120(/转10080604020-202022-03-012022-03-042022-03-102022-03-112022-03-132022-03-1413:43:4519:34:3017:18:2023:57:2018:38:1021:56:50时刻图17测试经纬度曲线图Fig.17Test longitude and latitude curve4结束语为更好地保证船岸数据通信装置信号线的电磁特性，本文以其串口信号线和SD卡信号线为例，借助CadenceSigrity软件和ADS改变PCB中信号线的设计参数并对其进行优化，最终得到如下结论：1）对串口信号线进行耦合间距仿真参数分析，通过对比优化前后的串扰噪声分析和眼图仿真结果，提高串口信号线的信号传输质量。2）对SD卡中的信号线过孔孔径进行对比分析，通过仿真对比得出小孔径可降低传输链路中的信号干扰，改善信号的传输系数，提升了存储效率。试验证明本文提出的信号布线方法能有效优化信号线的S参数，降低码间干扰，提高PCB的信号完整性，对船岸数据通信装置的设计具有指导意义。参考文献1金华标，刘太龙，喻方平.甚高频频段电磁骚扰转移技术J.中国航海,2 0 13,36（3）：1-4.JIN H B,LIU T L,YU F P.A study on reducing VHFEMI from marine electronic equipmentJ.Navigationof China,2013,36(3):1-4.(in Chinese)2金华标.船用电子设备电磁兼容技术研究D.武汉：武汉理工大学，2 0 10.JIN H B.Research on the electromagnetic compatibilitytechnology formarineelectronicequipmentD.Wuhan:Wuhan 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