imdd_silas/projects/ASTRO Electrical Link/Electrical_Link_GPT.m

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% High-Speed Link Modell (Dispersion + Reflexionen + Crosstalk)
% Eigenständiges MATLAB-Skript mit Testsequenz (PRBS), Kanalmodell im f-Bereich
% und Auswertung (Eye + Spektren).
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% Idee:
%  - Hauptkanal: H11(f) = exp(-gamma(f)*l)
%  - Crosstalk:  H21(f) = k_xt * j*(f/fc) / (1 + j*(f/fc)) * exp(-gamma_xt(f)*l)
%    (Highpass-artig: typisches FEXT-ähnliches Verhalten; simpel aber nützlich)
%  - Reflexionen: optionaler 2-Tap Echo-Term (vereinfachtes Stub/Mismatch-Modell)
%
% Keine Toolboxes zwingend nötig (außer eye diagram -> optional).
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clear; close all; clc;

%% ----------------------- Simulationseinstellungen -----------------------
Rb        = 10e9;        % Bitrate [b/s]
UI        = 1/Rb;        % Unit Interval [s]
os        = 32;          % Oversampling
Fs        = Rb*os;       % Abtastrate [Hz]
Ts        = 1/Fs;

Nbits     = 4096;        % Anzahl Bits pro Lane
A         = 1.0;         % NRZ-Amplitude (0/1 -> +/-A)

% PRBS-Seed
rng(1);

%% ----------------------- Testsequenzen (Aggressor + Victim) -------------
% Victim-Lane Daten
b_v = randi([0 1], Nbits, 1);
x_v = A*(2*b_v - 1);                 % NRZ: -A/+A

% Aggressor-Lane Daten (unabhängig)
b_a = randi([0 1], Nbits, 1);
x_a = A*(2*b_a - 1);

% Upsampling (NRZ-Rechteck)
x_v_up = upsample(x_v, os);
x_a_up = upsample(x_a, os);

% Simple Zero-Order Hold (rechteckig halten)
x_v_up = filter(ones(os,1), 1, x_v_up);
x_a_up = filter(ones(os,1), 1, x_a_up);

% Am Anfang Filter-Transient entfernen / zentrieren
x_v_up = x_v_up(os:end);
x_a_up = x_a_up(os:end);

% Signal-Länge
N = length(x_v_up);

% Optional: leichte TX-RiseTime-Abbildung (1st order LP)
% (hilft, unrealistische unendliche Bandbreite zu vermeiden)
f_tx_3dB = 0.35/(35e-12);  % grob: 35ps 10-90% -> f3dB ~ 0.35/tr
[x_v_up, x_a_up] = apply_1pole_lp(x_v_up, x_a_up, Fs, f_tx_3dB);

%% ----------------------- Frequenzachse (FFT) ----------------------------
% FFT-Länge als Power-of-two (schneller, weniger Circular-Artefakte)
Nfft = 2^nextpow2(N*2);
f = (0:Nfft-1).'*Fs/Nfft;            % 0 ... Fs*(1-1/Nfft)
% Für Transferfunktionen brauchen wir auch negative Frequenzen implizit:
% MATLAB-FFT nutzt diese Darstellung automatisch, solange H hermitesch ist.
% Wir definieren H für alle FFT-Bins konsistent mit reellen Signalen.

%% ----------------------- RLGC-Modell (Dispersion & Loss) -----------------
% Leitungslänge
l = 0.40;   % [m]

% Per-unit-length Parameter (Beispielwerte, grob PCB-ähnlich)
L = 3.2e-7;     % [H/m]
C = 1.6e-10;    % [F/m]
G0 = 0;         % [S/m] (DC)
tanD = 0.012;   % Verlustfaktor (vereinfachtes Dielektrikum-Modell)
% G(f) ~ omega*C*tanD
omega = 2*pi*f;
G = G0 + omega.*C*tanD;

% Skin-Effekt / Rauheit: R(f) ~ Rdc + k*sqrt(f)
Rdc = 0.05;            % [Ohm/m]
kR  = 0.20;            % [Ohm/m/sqrt(Hz)] * sqrt(Hz) -> Ohm/m
R = Rdc + kR*sqrt(max(f,1));   % max(..,1) vermeidet sqrt(0)

% gamma(f) und Z0(f)
gamma = sqrt( (R + 1j*omega*L) .* (G + 1j*omega*C) );   % [1/m]
Z0    = sqrt( (R + 1j*omega*L) ./ (G + 1j*omega*C) );   % [Ohm]

% Hauptpfad-Transferfunktion (perfekt terminiert)
H11 = exp(-gamma*l);

%% ----------------------- Crosstalk-Modell (Aggressor -> Victim) ----------
% Sehr vereinfachtes FEXT-ähnliches Modell: wächst mit f, sättigt
k_xt = 0.04;        % Crosstalk-Stärke (skalieren)
fc   = 8e9;         % Eckfrequenz der Koppelcharakteristik

% optional etwas andere Verluste auf dem Koppelpfad
gamma_xt = gamma .* (1.05 + 0.00j);

Hxt_shape = (1j*(f/fc)) ./ (1 + 1j*(f/fc));     % ~ Highpass
H21 = k_xt .* Hxt_shape .* exp(-gamma_xt*l);

%% ----------------------- Reflexions/Echo-Modell (optional) ---------------
% Einfache 2-Tap-Approximation: Hecho = 1 + a*exp(-j*2*pi*f*tau)
% (z.B. Stub/Via-Resonanz als Echo)
useEcho = true;
a_echo  = 0.18;     % Echo-Amplitude (|a|<1)
tau     = 120e-12;  % Echo-Delay [s]

if useEcho
    Hecho = 1 + a_echo*exp(-1j*2*pi*f*tau);
    H11 = H11 .* Hecho;
end

%% ----------------------- Kanal-Anwendung per FFT -------------------------
% Zero-padding auf Nfft
Xv = fft(x_v_up, Nfft);
Xa = fft(x_a_up, Nfft);

% Victim-Ausgang = Hauptpfad * Victim + Crosstalkpfad * Aggressor
Yv = H11 .* Xv + H21 .* Xa;

y_v = real(ifft(Yv, Nfft));
y_v = y_v(1:N);   % zurück auf Originallänge

%% ----------------------- Auswertung: Eye Diagramm ------------------------
% Eye über viele UIs (ohne Toolbox: eigene Darstellung)
plot_eye(y_v, os, 2);   % 2 UI Breite

%% ----------------------- Auswertung: Frequenzgänge -----------------------
figure('Name','Transferfunktionen');
subplot(2,1,1);
plot(f/1e9, 20*log10(abs(H11)+1e-15)); grid on;
xlabel('f [GHz]'); ylabel('|H_{11}| [dB]');
title('Hauptkanal (inkl. Dispersion/Loss + optional Echo)');

subplot(2,1,2);
plot(f/1e9, 20*log10(abs(H21)+1e-15)); grid on;
xlabel('f [GHz]'); ylabel('|H_{21}| [dB]');
title('Crosstalk-Pfad (Aggressor -> Victim)');

%% ----------------------- Optional: Bitfehlersicht / Sampling -------------
% Einfaches Sampling in der UI-Mitte (ohne Taktwiedergewinnung)
% (nur grobe Demo, kein echter CDR)
sampleOffset = round(os/2);
idx = sampleOffset:os:(sampleOffset + (Nbits-2)*os);
samples = y_v(idx);

% Hard Decision
bh = samples > 0;
ber = mean(bh(:) ~= b_v(1:length(bh)));

fprintf('--- Ergebnis ---\n');
fprintf('Bitrate: %.2f Gb/s, Oversampling: %d, Fs: %.2f GHz\n', Rb/1e9, os, Fs/1e9);
fprintf('Echo: %d (a=%.3f, tau=%.1f ps)\n', useEcho, a_echo, tau*1e12);
fprintf('Crosstalk k_xt=%.3f, fc=%.2f GHz\n', k_xt, fc/1e9);
fprintf('Grobe BER (ohne CDR/EQ): %.3e\n', ber);

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% Lokale Hilfsfunktionen
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function [x1o, x2o] = apply_1pole_lp(x1, x2, Fs, f3dB)
    % 1. Ordnung Tiefpass als TX-Bandbegrenzung (optional)
    if isempty(f3dB) || f3dB<=0
        x1o = x1; x2o = x2; return;
    end
    w = 2*pi*f3dB;
    a = exp(-w/Fs);
    b = 1-a;
    x1o = filter(b, [1 -a], x1);
    x2o = filter(b, [1 -a], x2);
end

function plot_eye(y, os, nUI)
    % Eye-Diagramm ohne Toolbox: Segmente von nUI*os sampeln und überlagern
    Lseg = nUI*os;
    nSeg = floor(length(y)/os) - nUI - 2;
    if nSeg < 10
        warning('Zu wenig Daten für Eye.');
        return;
    end

    figure('Name','Eye Diagramm');
    hold on; grid on;
    t = (0:Lseg-1)/os;  % in UI
    for k = 1:nSeg
        i0 = (k-1)*os + 1;
        seg = y(i0:i0+Lseg-1);
        plot(t, seg);
    end
    xlabel('Zeit [UI]');
    ylabel('Amplitude [V (rel.)]');
    title(sprintf('Eye Diagramm (Breite = %d UI, Oversampling = %d)', nUI, os));
end