何為信號(hào)完整性的分析

信號(hào)完整性包含：波形完整性（Waveform integrity）時(shí)序完整性（Timing integrity）電源完整性（Power integrity）信號(hào)完整性分析的目的就是用小的成本，快的時(shí)間使產(chǎn)品達(dá)到波形完整性、時(shí)序完整性、電源完整性的要求；我們知道：電源不穩(wěn)定、電源的干擾、信號(hào)間的串?dāng)_、信號(hào)傳輸過程中的反射，這些都會(huì)讓信號(hào)產(chǎn)生畸變，所以我們研究訊號(hào)完整性就需要研究差分訊號(hào)，訊號(hào)的反射，訊號(hào)的串?dāng)_等等參數(shù)，今天我們系統(tǒng)性的回顧下！

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信號(hào)完整性的定義

信號(hào)完整性（Signal Integrity）：就是指電路系統(tǒng)中信號(hào)的質(zhì)量，如果在要求的時(shí)間內(nèi)，信號(hào)能不失真地從源端傳送到接收端，我們就稱該信號(hào)是完整的，當(dāng)電路中信號(hào)能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)接收端時(shí)，該電路就有很好的信號(hào)完整性，當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。

何為高速差分訊號(hào)傳輸

隨著信號(hào)速率的提高，差分互連得到越來越多的應(yīng)用。實(shí)際上差分對(duì)是具有耦合的傳輸線，其主要用的是差分信號(hào)的特征，用差分對(duì)來實(shí)現(xiàn)。差分信號(hào)利用兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)兩條傳輸線。其中一根攜帶信號(hào)，另一根攜帶它的互補(bǔ)信號(hào)，兩條傳輸線上面的壓差就是需要傳輸?shù)?a target="_blank">信息。

在差分信號(hào)的傳輸過程中，主要是以兩條傳輸線為傳輸載體，差分驅(qū)動(dòng)器輸出的是邊緣能夠?qū)R的兩個(gè)信號(hào)，但是正好方向相反，如下圖所示。兩個(gè)高速信號(hào)分別傳輸，接收端在信號(hào)抵達(dá)接收器時(shí)對(duì)兩個(gè)信號(hào)作差分檢測，得到的差值就是差分信號(hào)，但是今天我們聊的是信號(hào)完整性，就是我們常說的SI參數(shù),其名詞解釋就是指訊號(hào)線上的信號(hào)質(zhì)量，訊號(hào)完整性不是由單一某一個(gè)因素導(dǎo)致的，而是訊號(hào)通訊過程中和設(shè)計(jì)中可能引起的多種因素引起的，我們也需要知道相關(guān)測試參數(shù)名詞的解釋！

傳輸線（Transmission Line）：由兩個(gè)具有一定長度的導(dǎo)體組成回路的連接線，我們稱之為傳輸線，有時(shí)也被稱為延遲線。

上升/下降時(shí)間（Rise/Fall Time）：信號(hào)從低電平跳變?yōu)楦唠娖剿枰臅r(shí)間，通常是量度上升/下降沿在10%-90%電壓幅值之間的持續(xù)時(shí)間，記為Tr。

截止頻率（Knee Frequency）：這是表征數(shù)字電路中集中了大部分能量的頻率范圍（0.5/Tr），記為Fknee，一般認(rèn)為超過這個(gè)頻率的能量對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸沒有任何影響。

特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信號(hào)在傳輸線上傳播中的每一步遇到不變的瞬間阻抗就被稱為特征阻抗，也稱為浪涌阻抗，記為Z0。可以通過傳輸線上輸入電壓對(duì)輸入電流的比率值(V/I)來表示。

傳輸延遲（Propagation delay）：指信號(hào)在傳輸線上的傳播延時(shí)，與線長和信號(hào)傳播速度有關(guān)，記為tPD。

趨膚效應(yīng)（Skin effect）：指當(dāng)信號(hào)頻率提高時(shí)，流動(dòng)電荷會(huì)漸漸向傳輸線的邊緣靠近，甚至中間將沒有電流通過。與此類似的還有集束效應(yīng)，現(xiàn)象是電流密集區(qū)域集中在導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)。

反射（Reflection）：指由于阻抗不匹配而造成的信號(hào)能量的不完全吸收，發(fā)射的程度可以有反射系數(shù)ρ表示。

串?dāng)_：串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾，這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的。

屏蔽效率（SE）：是對(duì)屏蔽的適用性進(jìn)行評(píng)估的一個(gè)參數(shù)，單位為分貝。吸收損耗：吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩的時(shí)候能量損耗的數(shù)量。

反射損耗：反射損耗是指由于屏蔽的內(nèi)部反射導(dǎo)致的能量損耗的數(shù)量，他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化。

校正因子：表示屏蔽效率下降的情況的參數(shù)，由于屏蔽物吸收效率不高，其內(nèi)部的再反射會(huì)使穿過屏蔽層另一面的能量增加，所以校正因子是個(gè)負(fù)數(shù)，而且只使用于薄屏蔽罩中存在多個(gè)反射的情況分析。

差模EMI：傳輸線上電流從驅(qū)動(dòng)端流到接收端的時(shí)候和它回流之間耦合產(chǎn)生的EMI，就叫做差模EMI。共模EMI：當(dāng)兩條或者多條傳輸線以相同

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反射系數(shù)

首先我們說一下訊號(hào)完整性里面最重要的參數(shù)之一：

反射：反射－－初始波

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器發(fā)射一個(gè)信號(hào)進(jìn)入傳輸線時(shí)，信號(hào)的幅值取決于電壓、緩沖器的內(nèi)阻和傳輸線的阻抗。驅(qū)動(dòng)器端看到的初始電壓決定于內(nèi)阻和線阻抗的分壓。S參數(shù)都是帶限的，即每個(gè)S參數(shù)都有一個(gè)截?cái)囝l率fstop，S參數(shù)只有頻率低于fstop的信息。在頻域-時(shí)域轉(zhuǎn)換的時(shí)候，這種終止會(huì)引入截?cái)嗾`差。在時(shí)域反射曲線中表現(xiàn)為以1/fstop的振蕩，即紋波。這個(gè)振蕩的幅度，取決于輸入上升沿的頻譜。越快的上升沿，時(shí)域反射的振蕩會(huì)越強(qiáng)。因此選擇合適的上升沿非常重要。一般地，截?cái)囝l率為fstop的S參數(shù)在求解時(shí)域反射的時(shí)候，可以用的最快上升沿（20-80%）為：比如一個(gè)fstop = 20GHz 的S參數(shù)，如果上升沿超過25ps（20-80%），那么輸出的時(shí)域反射曲線就會(huì)出現(xiàn)較明顯的紋波。如果上升沿慢于25ps，那么紋波會(huì)很小而可忽略。

反射產(chǎn)生的原因

當(dāng)發(fā)送器件將數(shù)字信號(hào)送到互連線上時(shí)，初始信號(hào)大小（）取決于發(fā)送器件的電壓（）、源內(nèi)阻（）和互連線的特性阻抗（），如圖1所示:

圖1 互連線上的反射現(xiàn)象

其等于互連線特性阻抗在它與源內(nèi)阻的分壓，如式(1)，

如果互連線終端接到一個(gè)與互連線特性阻抗（）精確匹配的阻抗，那么互連線上的電壓保持為，直到發(fā)送器件再次發(fā)送信號(hào)。而如果互連線終端所接阻抗不為，而為，則傳輸?shù)浇K端的信號(hào)一部分端接到地，而其余的部分將朝發(fā)送器件方向反射。反射信號(hào)分量的多少取決于負(fù)載端反射系數(shù).

于是，初始入射電壓達(dá)到終端時(shí)，信號(hào)的一部分,將返回發(fā)送器件，并與入射電壓疊加，這時(shí)負(fù)載端的電壓為+，如果反射分量達(dá)到發(fā)送器件，發(fā)現(xiàn)源內(nèi)阻也與特性阻抗不相等（匹配），會(huì)被再一次的反射，反射信號(hào)的多少取決于源端反射系數(shù).

這時(shí)源端的電壓則變?yōu)?img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/A2/16/wKgaomTulceADOHOAAABWbxPRYM620.png" alt="7f0a8ae0-3c9d-11ee-ad04-dac502259ad0.png" />+++反射會(huì)在互連線上不斷地進(jìn)行，直到達(dá)到穩(wěn)定，源端和負(fù)載端的穩(wěn)定電壓都為，

格形圖是在源內(nèi)阻和端接負(fù)載都為線性時(shí)理解反射產(chǎn)生機(jī)理的一種方法。如下圖所示

如圖中，左邊豎線代表互連線的源端，右邊豎線代表負(fù)載端，而兩條豎線之間的斜線代表信號(hào)在源端和負(fù)載端來回反射，圖中自頂向下，表示時(shí)間的增加，相鄰時(shí)刻之間的時(shí)間增量等于互連線的延遲。另外，圖中兩豎線頂端標(biāo)有相應(yīng)的反射系數(shù)，小寫字母表示互連線上傳播的反射信號(hào)大小，包括從源端和從負(fù)載端反射回的，大寫字母代表源端的電壓，帶撇的大寫字母表示負(fù)載端的電壓。

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串?dāng)_參數(shù)

串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲。串?dāng)_是由電磁耦合引起的，耦合分為容性耦合和感性耦合兩種。容性耦合是由于干擾源（Aggressor）上的電壓變化在被干擾對(duì)象（Victim）上引起感應(yīng)電流從而導(dǎo)致的電磁干擾。而感性耦合則是由于干擾源上的電流變化產(chǎn)生的磁場在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致的電磁干擾。因此，信號(hào)通過一導(dǎo)體時(shí)會(huì)在相鄰的導(dǎo)體上引起兩類不同的噪聲信號(hào)：容性耦合信號(hào)和感性耦合信號(hào)。

串音主要分為近端串音和遠(yuǎn)端串音兩大類;它們的峰值定義為,近端串音係數(shù)NEXT和遠(yuǎn)程串音係數(shù)FEXT;其中Vin為動(dòng)態(tài)線中信號(hào)電壓;Vnear和Vfar為靜態(tài)線上近端和遠(yuǎn)端測得的串音電壓.

計(jì)算公式如下(串音—Cross Talk 單位—dB)

一對(duì)訊號(hào)線傳輸時(shí)的高頻電容電感效應(yīng)與 Impedance匹配效應(yīng)，產(chǎn)生對(duì)相鄰訊號(hào)線造成的干擾現(xiàn)象。

NEXT(Near End Cross Talk)---近端串音，發(fā)生在傳輸源一端的串音現(xiàn)象

FEXT(Far End Cross Talk)---遠(yuǎn)端串音，發(fā)生在接收一端的串音現(xiàn)象

dB=20 Log(V1/V0)

V1-相鄰訊號(hào)線檢出電壓

V0-原訊號(hào)源輸出電壓

兩線路之間互相干擾的電磁雜訊，一般會(huì)隨著頻率之昇高而增加。

其量測可以NA或TDR來量測，其計(jì)算公式如下：

如果Xtalk數(shù)值越趨近于0 dB(or近100%)時(shí)，表示雜訊干擾的情況越嚴(yán)重，反之，Xtalk dB數(shù)值越大(or近0%)時(shí)，表示雜訊干擾的情況越少

實(shí)際量測中的串音測試圖形

SSN（同步開關(guān)噪音）

開關(guān)噪音由差分對(duì)間的感性耦合引起,當(dāng)傳輸線上電流變化時(shí),會(huì)在鄰近的傳輸線上耦合出感 應(yīng)電壓,并激起感應(yīng)電流,對(duì)鄰近傳輸線上的信號(hào)產(chǎn)生干擾.

解決方式：

由于差分信號(hào)的特性,可以激勵(lì)差分對(duì)進(jìn)入奇模模態(tài),在此模態(tài)下, 差分對(duì)本身對(duì)耦合噪音有很好的抑制作用.另外可以通過對(duì)線包鋁箔屏蔽來減弱對(duì)其他鄰近差分對(duì)的干擾.

在高頻通信中,我們更關(guān)心的是串音干擾而不是SSN；串音干擾是相鄰傳輸線對(duì)內(nèi)或?qū)﹂g由于寄生電感,電容耦合產(chǎn)生的噪音；對(duì)傳輸線上的信號(hào)影響很大；必須加以控制；否則會(huì)引起信號(hào)波形的嚴(yán)重失真,導(dǎo)致接收端誤判斷.

串音產(chǎn)生原理

串音干擾可以從電容電感耦合角度去理解,也可以從差分信號(hào)和共模信號(hào)分量角度去理解.

耦合角度描述：

當(dāng)動(dòng)態(tài)線上有信號(hào)通過時(shí),在信號(hào)的上升延區(qū)域(即電壓電流變化的區(qū)域).由于線對(duì)間的互感和互容的耦合作用，在靜態(tài)線上將感應(yīng)出電流,由于噪音電流在靜態(tài)線上每個(gè)方向上感受到的阻抗都相同,所以前向和后向的電流量將相等. 其中一半向后流回到近端,產(chǎn)生近端串音;另一半向前流動(dòng)到遠(yuǎn)程,產(chǎn)生遠(yuǎn)程串音.

舉例分析串音產(chǎn)生的機(jī)理和改善方式

管道裡的水向前流,過程中由于管道孔徑或管道有凸起物等諸多因素讓水流的速度發(fā)生有不穩(wěn)定的現(xiàn)象,但是當(dāng)?shù)竭_(dá)終點(diǎn)接收端后,有個(gè)穩(wěn)定的接收后,其輸入的水流將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),但是在過程中仍有由于遇到障礙而往后流的水流向供水端,這段額外的阻止時(shí)間為延時(shí)TD,近端串音就是水流從不穩(wěn)定額外的阻止時(shí)間并持續(xù)2*TD的時(shí)間，如下圖解說：

當(dāng)兩條傳輸線靠近時(shí)，互容和互感將增加，從而使NEXT增加）近端串音：

當(dāng)信號(hào)前沿傳輸了一個(gè)飽和長度后,近端的電流將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值；而當(dāng)動(dòng)態(tài)線上的信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端端接電阻后；就不再有耦合噪音電流,但是靜態(tài)線上還有后向電流流向靜態(tài)線的近端,這段額外時(shí)間等于時(shí)延TD.；近端串音就是耦合電流上升到一個(gè)恒定值并持續(xù)2*TD,然后下降到0,其中上升時(shí)間等于信號(hào)的上升時(shí)間，如下圖解說

遠(yuǎn)程串音：耦合到靜態(tài)線上前向傳播的噪音,移動(dòng)速度與動(dòng)態(tài)線上的信號(hào)前沿向遠(yuǎn)端傳播的速度相同.在靜態(tài)線上的每一步,一半噪音電流會(huì)迭加在已經(jīng)存在的沿線噪音上.直到信號(hào)前沿到達(dá)遠(yuǎn)端,才有電流出現(xiàn).即信號(hào)達(dá)到遠(yuǎn)端時(shí),遠(yuǎn)端噪音同時(shí)到達(dá).因此遠(yuǎn)端噪音電流為一個(gè)很短的負(fù)向脈衝,持續(xù)時(shí)間等于信號(hào)的上升時(shí)間TD.近端和遠(yuǎn)端串音的特徵,決定了遠(yuǎn)端串音將在高頻率段產(chǎn)生很大威脅,而近端串音則在中頻率段影響較大.

從差分信號(hào)分量和共模信號(hào)分量角度描述:

近端串音：

差分信號(hào)分量和共模信號(hào)分量在差分對(duì)上所感受到的阻抗不同,這 一阻抗上的差異將導(dǎo)致,靜態(tài)線產(chǎn)生近端串音.若阻抗上的這一差異越大則NEXT將越大.

遠(yuǎn)程串音：

由于共模信號(hào)分量和差分信號(hào)分量電力線分佈不同,所感受到的有效介電係數(shù)不同,導(dǎo)致它們的傳播速度不同.差分信號(hào)分量將先到達(dá)遠(yuǎn)端,而共模信號(hào)分量稍晚點(diǎn)到達(dá)遠(yuǎn)端.它們的差值將導(dǎo)致遠(yuǎn)程串音,若這一速度差異越大將導(dǎo)致遠(yuǎn)端串音能量越大,FEXT越大；串音干擾由于相鄰線間的耦合產(chǎn)生.耦合度越高,串音干擾越大;頻率越高,串音干擾越大;電容穩(wěn)定性越差,串音越嚴(yán)重;此外,低特性阻抗有利于低串音,絕緣材料介電係數(shù)越小,串音越低。