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万兆交换机电磁兼容设计与研究

作　者: 张帆
导　师: 毛谦
学　校: 武汉邮电科学研究院
专　业: 通信与信息系统
关键词: 以太网电磁兼容信号完整性电源完整性 IBIS模型仿真
分类号: TN915.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着信息技术的发展，以太网实现了从十兆，百兆,千兆到万兆的飞速发展。以太网交换设备的器件速度和系统复杂度也随之有了很大的提升。当器件开关速率进入皮秒级后系统中电磁兼容性，信号完整性和电源完整性问题日益严重一旦设计不当，会导致严重的后果。在传统的硬件设计中我们往往依靠设计人员的经验进行设计并在完成设计后对系统验证，并通过对设备进行测试发现问题再采用改板方式解决发现的问题。这种设计方法对时间和成本的开销都非常大。在竞争激烈的市场上往往处于被动的地位。本文设计了一款万兆二层以太网交换机。并在初期引入了电磁兼容设计理念，采用设计+分析+仿真+设计的设计流程。并对关键信号和电源进行了验证。全文第一章介绍了电磁兼容的背景和研究意义，对比了国内外研究现状。第二章阐述了电磁兼容的基本理论，说明电源完整性和信号完整性对高速设备电磁兼容特性的影响。第三章着重对高速系统中可能导致电磁兼容问题的因素进行分析并提出解决方法，第四章介绍研究阶段设计的一款万兆以太网交换机。第五章介绍硬件仿真常用的模型建立和选择方法，对电源完整性仿真和信号完整性仿真进行了分别研究。并对IBIS模型的设计和验证进行了深入的探讨，确立需要仿真的关键信号。第六章分别对电源谐振和关键信号的信号完整性进行仿真，根据第三章所讨论的改进方法对不合理之处进行改进，并验证效果。第七章总结了本次研究的主要工作和不足，并对以后的研究提出展望。本论文以信号完整性和电源完整性为基础，提供了易用可行的技术解决方案，并通过设计交换机硬件为契机，将其易用到实际生产设计中。为今后的研发提供了行之有效的思路。从源头保证产品的可靠性，缩短开发周期，降低成本并提升了设备的性能，对从事高速硬件研发工作有一定的指导作用。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
第1章绪论  12-18
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-14
  1.3 完成的工作  14-15
  1.4 章节安排  15-18
第2章电磁兼容分析  18-24
  2.1 电磁兼容和电磁干扰特性  18
  2.2 常用电磁干扰抑制方法  18-21
    2.2.1 通道抑制  19-20
    2.2.2 空间隔离  20
    2.2.3 时间分离  20-21
    2.2.4 电气隔离  21
  2.3 电磁兼容标准与规范  21-22
  2.4 目前交换机存在的电磁兼容问题  22-24
第3章高速系统存在的电磁兼容问题及解决方案  24-42
  3.1 信号完整性简介  24
  3.2 传输线理论  24-27
    3.2.1 传输线特性  24-25
    3.2.2 传输线模型建立  25-26
    3.2.3 传输线参数  26-27
  3.3 影响信号完整性因素分析  27-32
    3.3.1 反射  27-28
    3.3.2 反射的常用解决方案  28-29
    3.3.3 串联端接  29-30
    3.3.4 并联端接  30
    3.3.5 戴维南端接  30-31
    3.3.6 RC 端接  31-32
  3.4 串扰  32-34
    3.4.1 容性耦合  32-33
    3.4.2 感性耦合  33-34
    3.4.3 串扰的改善  34
  3.5 电源完整性问题  34-38
    3.5.1 分析电源完整性目的  36
    3.5.2 同步开关噪声定义  36-37
    3.5.3 同步开关噪声的特点  37
    3.5.4 同步开关噪声的危害  37
    3.5.5 电源同步噪声的抑制  37-38
  3.6 电源分配系统（PDS）阻抗控制  38-42
    3.6.1 旁路电容  38-42
第4章以太网介绍和交换机硬件设计  42-54
  4.1 交换机基本工作原理  42-44
    4.1.1 交换原理  42-43
    4.1.2 交换机工作原理  43-44
  4.2 万兆以太网交换机设计  44-46
    4.2.1 交换机设计目标  44-45
    4.2.2 交换机系统总体体系结构设计  45-46
  4.3 交换机模块设计  46-54
    4.3.1 交换模块  47-48
    4.3.2 存储模块设计  48-49
    4.3.3 时钟模块设计  49-50
    4.3.4 10G 光模块接口设计  50-51
    4.3.5 管理模块设计  51-52
    4.3.6 供电模块设计  52-53
    4.3.7 主芯片滤波电路设计  53-54
第5章交换机电磁兼容环境分析与建模  54-66
  5.1 关键芯片 IBIS 模型提取与验证  54-55
  5.2 SPICE 模型  55-56
  5.3 IBIS 模型  56-66
    5.3.1 IBIS 模型分析  57-60
    5.3.2 IBIS 模型验证与修改  60-63
    5.3.3 IBIS 模型完善  63-66
第6章交换机系统电磁兼容仿真与实施  66-81
  6.1 交换机系统电源完整性仿真设计  66-69
    6.1.1 电源完整性分析  66-67
    6.1.2 电源完整性仿真软件选择  67
    6.1.3 电源完整性仿真  67-69
  6.2 电源模块电磁干扰设计  69-72
    6.2.1 电源环路设计  69-71
    6.2.2 电源输出电容的选择  71-72
  6.3 交换机关键信号仿真  72-81
    6.3.1. 设定参数  72-73
    6.3.2 10G XAUI 接口仿真  73-76
    6.3.3 时钟分发电路设计仿真  76-81
第7章总结  81-84
  7.1 本论文主要工作总结  81-82
  7.2 前景与展望  82-84
参考文献  84-89
致谢  89-91
附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文  91

万兆交换机电磁兼容设计与研究

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