信号完整性相关基础知识-Toy模板网

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一、GHz传输链路信号损耗的特征，高频和低频分量信号损耗问题

• 1.信号沿FR4传播，两种有功损耗:导体损耗和介质损耗两种损耗的高频衰减大于低频衰减。当信号传播4in长时，8GHz以上高频分量的功率衰减量大于50％，而对低频分量的影响却小得多。
• 2.FR4板上4in长传输线，测量的正弦波频率分量衰减。2GHz以下频率分量的衰减不超过+ldB，而10GHz上的频率分量衰减为-4dB。
• 3.信号通过FR4板上50欧姆、4in长的传输线时测量的衰减，可以看出，频率越高，衰减越大。通过FR4板上50欧姆、36in长的传输线时，测得的输入信号和传输信号，可以看出升边从50ps退化到1.5ns

信号完整性相关基础知识

二、信号带宽和3dB带宽

把一个信号所包含谐波的最高频率与最低频率之差，即该信号所拥有的频率范围，定义为该信号的带宽。因此可以说，信号的频率变化范围
越大，信号的带宽就越宽。
下限截止频率fL：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为下限截止频率fL。
上限截止频率fH：信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为上限截止频率fH。
通频带fbw：fL与fH之间形成的频带称中频段，或通频带fbw，fbw＝fH－fL。
在信号传输系统中,系统输出信号从最大值衰减3dB 的信号频率为截止频率,上下截止频率之间的频带称为通频带,用BW表示。
3dB--指的是比峰值功率小 3dB（就是峰值的70％）的频谱范围的带宽

三、互连线的宽带和插入损耗

1.提示在实际中我们使用的“有效”指标指的是传输的频率分量幅度减少了3dB也就是说电压幅度减少为入射值的70％。这就是经常提到的互连线3dB带宽。
在频域中测量互连线的带宽非常简单。网络分析仪产生不同频率的正弦波从互连线的前端注入，然后测出远端输出正弦波的大小。它是测量互连线传递函数，互连线如同一个滤波器。有时称为互连线插入损耗。
正弦波通过FR4板上4in长、50欧姆的传输线时所测的幅度值，这里的测量带宽为20GHz。互连线的3dB带宽约为8GH，这意味着如果输入一个8GHz的正弦波那么远端得到的信号幅度至多为原信号幅度的70％。对于此例中的这种横截面和材料特性，3dB带宽约为8GHz。
如果理想方波在互连线上传输，低于8GH各个正弦波分量都能被传输，传输前后的幅度大致相同;但高于8GHz分量幅庋就不能保证上升时间为1ps的信号，在经过互连线输出后，其上升时间可能为0.35/8GHz=0.043ns，互连线使上升时间退化。一个经验法则是:一段10cm长的线，其带宽为8G;本征升边为43ns

四、高速互联电路中的，预加重技术，TX提高高频分量的作用

预加重是一种在发送端对输入信号高频分量进行补偿的信号处理方式。随着信号速率的增加，信号在传输过程中受损很大，为了在接收终端能得到比较好的信号波形，就需要对受损的信号进行补偿，预加重技术的思想就是在传输线的始端增强信号的高频成分，以补偿高频分量在传输过程中的过大衰减。而预加重对噪声并没有影响，因此有效地提高了输出信噪比。
去加重技术的思想跟预加重技术有点类似，只是实现方法有点不同，预加重是增加信号上升沿和下降沿处的幅度，其它地方幅度不变;而去加重是保持信号上升沿和下降沿处的幅度不变其他地方信号减弱。
均衡技术，前面介绍的预加重和去加重能很好的补偿信号在传输过程中的损耗，改善信号质量，但是预加重和去加重技术也存在一些缺陷，比如当线路上存在串扰时，预加重和去加重会将高频串扰分量放大，增大串扰的危害。为了弥补预加重和去加重技术的缺陷，后来就出现了均衡技术。跟预加重和去加重不同，均衡技术在信号的接收端使用，它的特性相当于—个高通滤波器。
高速互联电路中的，去加重技术，TX降低低频分量的作用

数字总线中经常使用的预加重有3.5dB、6dB、9.5dB等。对于6dB的预加重来说，相当于在发送端，跳变比特的电压幅度是非跳变比特电压幅度的2倍用来补偿传输线对不同频率下损耗不一致的影响，目的使得接收的端的频谱分布和原来的信号基本一致。从频域上看，判断是否是高速数字信号的准则不仅是信号的基础频率，还包括其高次谐波的影响。对数字信号而言，信号的边沿速率是最直观的因素之一，在工程实践里面，当信号边沿时间小于4-6倍的互连传输时间，应该考虑信号完整性的行为。从时域信号波形来看，需要研究传输线的特征阻抗，反射，串扰及同步开关噪声等问题都是研究数字信号0到1跳变瞬间的行为，这些和信号沿都有很大的关系

五、过冲现象，回冲现象

反射会造成信号过冲overshoot、下冲undershoot、振铃ringing、边沿迟缓（回勾现象）也就是阶梯电压波。过冲是振铃的欠阻尼状态，边沿迟缓是振铃的过阻尼状态。当信号的第一个波峰超过原来设定的最大值。过冲是指信号跳变的第一个峰值或谷值，它是在电源电平之上或参考地电平之下的额外电压效应。
下冲是指信号跳变的下一个谷值或峰值。过冲与下冲都是不利的因素，过大的过冲电压经常长期性地冲击会造成器件的损坏，如上图所示。严重的下冲会超过接收器件的门限而导致电路的逻辑错误。
如果信号在驱动器和接收器之间来回多次反射，就会产生振铃现象，这增加了信号稳定所需要的时间，从而也影响了系统稳定

六、数字信号振铃现象，振铃在信号频域的表现和幅度影响及高频特性

• 1.如果信号在驱动器和接收器之间来回多次反射，就会产生振铃现象，这增加了信号稳定所需要的时间，从而也影响了系统稳定。
• 2.信号振铃根本原因是负反射引起的，其罪魁祸首仍然是阻抗变化，又是阻抗！在研究信号完整性问题时，一定时时注意阻抗问题。
• 3.负载端信号振铃会严重干扰信号的接受，产生逻辑错误，必须减小或消除，因此对于长的传输线必须进行阻抗匹配端接

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七、数字信号单调性问题（台阶）现象，和常见的原因分析

信号边沿单调性是指信号上升惑下降沿的回沟现象。对于边沿判定的时钟信号，波形边沿在反转门限电平处的非单调可能造成逻辑判断错误。
边沿单调失真通常是由于信号传输路径过长且阻抗不连续所引起的反射，多负载的反射或者驱动阻输出阻抗过大所导致的接收信号过缓等因素引起。

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信号的反射现象，引起驻波，上升，下降，振铃和过冲，电磁干扰
反射（reflection）是指传输线（echo）。信号功率（电压和电流）的一部分经传输线上传输到负载端，但是有部分倍反射回来形成振铃（rlnging）。
过冲（overshoot）是指第一个峰值或谷值超过设定电压。
下冲（undershoot）是下冲指紧邻的下一个谷值或峰值超过设定电压
振铃（rlnging）就是反复出现过冲和下冲。

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八、串扰

1、串扰是指信号在传输通道上传输时，因电磁耦合对相邻传输线产生的影响。串扰分为容性耦合串扰和感性耦合串扰。

2、线AB 有信号，此传输线称为动态线，与动态线AB 相邻的传输线CD 称为静态线，此线产生耦合信号。其中，由耦合电容产生的串扰信号在受害网络上可以分为前向串扰和反向串扰Sc,这
两个信号极性相同；由耦合电感产生的串扰信号也分成前向串扰串扰和反向串扰Sl，这两个信号极性相反。

3、近端串扰，缩写为NEXT，是衡量单链路/通道的一个性能参数，
测量从一对线耦合到另一对线的信号。引起干扰的线对被称为“干扰线对”，而受串扰影响的线对被称为“被干扰线对”。NEXT以分贝(dB)为单位表示，随传输频率的变化而变化，较高频率产生的干扰较大。dB值越大，被干扰链路/通道受到的串扰越小。

4、远端串扰缩写为FEXT，也在一个通道内测量。远端串扰与NEXT有很多相似之处，但在通道的远端测量。然而，FEXT本身不能说明信号在一定距离内的衰减。为提供信息量更多的结果，将衰减(插入损耗)从FEXT结果中去除，称为等效远端串扰。

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九、容性串扰

容性耦合机制当干扰线上有信号传输时，由于信号边沿电压的变化，在信号边沿
附近的区域，干扰线上的分布电容会感应出时变的电场，而受害线处于这个电场
里面，所以变化的电场会在受害线上产生感应电流。可以把信号的边沿看成是沿
干扰线移动的电流源，在它移动的过程中，通过电容耦合不断地在受害线上产生
电流噪声。由于在受害线上每个方向的阻抗都是相同的，所以50％的容性耦合电
流流向近端而另50%则传向远端。
容性耦合电流的流向都是从信号路径到返回路径的，所以向近端和远端传播的耦
合电流都是正向的。
对于近端容性耦合串扰，随着驱动器输出信号出现上升沿脉冲，流向近端的电流
将从零开始迅速增加，当边沿输入了一个饱和长度以后，近端电流将达到一个固
定值。
流向近端的耦合电流将以恒定的速度源源不断地流向近端，当上升沿到达干扰线
的接收端，此上升沿会被接受吸收，不再产生耦合电流信号，但是受害线上还有
后向电流流向受害线的近端，所以近端的耦合电流将持续两倍的传输延迟。
对于远端容性耦合串扰，由于信号的边沿可看成是移动的电流源，它将在边沿的
附近区域产生经互容流进受害线的耦合电流，而产生的耦合电流将有50％与干扰
线上的信号同向而且速度相同地流入远端，因此随着干扰线上信号的传输，在受
害线上将不断地产生的前向耦合电流而且和已经存在的前向耦合电流不断地叠加，
并一同传向远端。

十、感性串扰

感性耦合机制，当信号在于扰线上传播时，由于信号电流的变化，在信号跃变的附近区域，通过分布电感的作用将产生时变的磁场，变化的磁场在受害线上将感应出噪声电压，进而形成感性的耦合电流，并分别向近端和远端传播。
与容性耦合电流不一样的是，感性耦合电流的方向与干扰线上信号传播的方向是反向的，向近端传输时，电流回路是从信号路径到返回路径，而向远端传输时，电流回路则是从返回路径到信号路径。
对于近端感性耦合串扰，其特征与近端容性耦合串扰非常相似，也是从零开始迅速增加，当传输长度大于等于饱和长度以后，将稳定在一个固定值，持续时间是两倍的传输延迟。
因为流向近端的感性耦合电流与容性耦合电流同向，所以两者将叠加在一起。对于远端感性耦合串扰，感性耦合噪声与干扰线上信号边沿的传播速度相同，而且在每一步将会耦合出越来越多的噪声电流，信号持续的时间等于信号跃变的时间。
但是由于电流流向与远端容性耦合电流是反向的，所以到达受害线远端接收器的耦合电流是两者之差。

十一、串扰效应和解决办法

互感和互容的混合效应，一般地，在完整的地平面上，容性和感性的耦合产生的串扰电压大小相等，因此远端串扰的总噪声由于容性和感性耦合的极性不一样而相互抵消。但是对于微带线路，由于与串扰相关的电场大部分穿过的是空气，而不是其他的绝缘材料，因此容性串扰比感性串扰小，导致其远端串扰系数是一个小的负数。
• 解决串扰的方法
• (1)在情况允许的情况下，尽量增大走线之间的距离，减小平行走线的长度，必要时采用jog-out方式走线。
• (2)在确保信号时序的情况下，尽可能地选择上升沿和下降沿速度更慢的器件，使电场和磁场变化的速度变慢，从而降低串扰。
• (3)在设计走线时，应该尽量使导体靠近地平面或电源平面。这样可以使信号路径与地平面紧密的耦合，减少对相邻信号线的干扰。
• (4)在布线空间允许的条件下，在串扰较严重的两条信号线之间插入一条地线，可以减小两条信号线间的耦合，进而减小串扰。