解决方案|面对高速通信通道中不确定因素，工程师如何做出更优异的设计？

每一代全新的网络产品都能以相同或更低的成本提供更优异的性能。而为这些产品设计高速通信通道的工程师则面临着艰巨的挑战。由于速度达到或高于10Gb/s的系统性能存在的不确定因素不断增多，因而促使工程师选择更精密、成本更高的印刷电路板（PCB）多层薄层材料来增大安全裕度。另一方面，在竞争压力的作用下，要求使用成本最低的材料和组件，而这就有可能造成产品性能的不确定性，从而可能迫使在硬件供货后进行高成本的重新设计。

诺基亚-阿朗是在因特网协议（IP）、云网络、超宽带固定和无线接入的产品和创新领域居于领先地位的供应商，其工程师借助Ansys HFSS在电子产品设计流程的早期阶段对不同材料和组件的性能进行评估，从而解决了上述难题。例如，工程师先从两个电路板的布局后数据库中抽取仿真通道，并将其连接在一起，然后在频域和时域运行仿真。他们利用HFSS确定最低成本的解决方案，其能够在12.5Gb/s通道之间可靠地连接两块独立电路板上的集成电路(IC)。

该通道用于通过板间连接器连接电路板电路板A和电路板B。在初始概念设计阶段，选择的是成本相对低廉的板材料。电路板A采用增强型FR4材料，可承载串行器/解串器（SerDes）发送器和用于连接IC到连接器的3.3英寸长差分通道。该通道始于IC，在上表面延长约0.5英寸直到转向第3层到达最终目的地连接器。电路板B采用Megtron 4材料，可承载SerDes接收器IC和用于连接IC到连接器的11英寸长差分通道。

项目仿真的目的是验证12.5Gb/s通道是否能够可靠地连接位于两块独立电路板（使用高性能连接器连接）上的两片IC。该设计规定频域插损（IL）必须单调增长至其6.25GHz的奈奎斯特频率，且不得超过20dB，而回波损耗（RL）则必须在频率高达6.25GHz时保持在12dB以上。此外，该设计需要实现严格的时域性能。在信号通过了位于SerDes接收器IC上的模拟均衡器和决策反馈均衡（DFE）滤波器之后，比特误差率（BER）应在10到22之间或者更好的数值。

诺基亚-阿朗的工程师使用 Ansys Designer和Ansys HFSS对该通道进行仿真。仿真过程先是构建频域模型，然后将其移植到Designer中，用以在时域中分析结构性能。与同类竞争对手从时域模型开始的方法相比，该流程能够提供更加精确的结果。在Designer中，工程师使用“cutout subdesign”功能，从布局后数据库中抽取每个电路板上的通道。他们先验证叠层，然后编辑以去除延长仿真时间的杂乱图形，最后创建端口激励。随后他们将该结构移植到HFSS中，从而说明铜面粗糙度，并生成更高保真度的模型。

接下来，工程师运行频域仿真，并验证每个电路板是否满足预期的频域规范。他们在HFSS中为每个电路板生成一个四端口的S参数通道模型。在Ansys Designer中创建电路原理图后，他们把两个电路板的模型和制造商提供的连接器模型导入其中，并将它们连接在一起，以便仿真完整通道的IL和RL。结果显示频率高达7GHz时，IL为10.7dB，而RL在12dB之上。两个仿真结果均满足IL和RL要求。

接下来工程师用已连接的通道的单个实例创建电路，使用Designer内置的时域反射计（TDR）探针显示受测通道的阻抗特性。阻抗不连续性即是导致IL、RL增大以及眼图闭合的原因。结果显示3英寸电路板、连接器和11英寸电路板的特性符合预期。仿真结果还显示出电路板A上的阻抗不连续性表示布局中的布线从顶层过渡到了内层。

随后，工程师创建一个电路，用以运行眼图（眼罩测试）仿真。他们使用的是用于TDR仿真中的完整通道四端口S参数模型的相同单个实例，并在每个通道的末端添加由IC制造商提供的发送接收SerDes的IBIS-AMI模型。使用Ansys Designer，将IBIS-AMI寄存器设置配置为最大限度地增加眼图开口。

在内置模拟接收器和DFE滤波器之后的接收器IC上，工程师对眼图进行了测量。即便显示器显示出在接收器IC板上的眼图呈闭合状态，而接收器上的连续时间线性均衡器（CTLE）和DFE滤波器的眼图则在硅芯片内呈张开状态。滤波后信号的眼罩图与超过10到22的BER相关，因此仿真结果说明该通道在时域内也符合规范要求。

Designer和HFSS的强大频域和时域分析功能完美结合，帮助诺基亚-阿朗的工程师克服了性能和成本权衡所带来的不确定因素。HFSS 3D仿真以较高确定性确认该通道能够正常运行并满足频域和时域的规范要求。

结果显示使用成本较低的材料和连接器仍然能构建超出BER要求的可靠产品。此外，工程师还对该通道是否满足IL和RL频域规范进行了验证。根据仿真结果，诺基亚-阿朗的工程师能够降低67%的PCB成本，5%的系统总成本，同时避免了因后期阶段高成本设计变更而干扰项目进度的风险。