第七章传输线和信号完整性

现代通信系统中的信号完整性分析在当今高度数字化和信息化的时代，通信系统的性能和可靠性对于我们的日常生活和工作至关重要。

无论是手机通信、互联网数据传输，还是卫星通信、广播电视等领域，都依赖于高效、准确的信号传输。

而在这一过程中，信号完整性成为了一个关键的因素，它直接影响着通信的质量和稳定性。

信号完整性，简单来说，就是指信号在传输过程中保持其原有特性和质量的能力。

如果信号在传输过程中出现失真、衰减、反射、串扰等问题，就会导致通信系统的性能下降，甚至出现通信故障。

那么，是什么原因导致了这些信号完整性问题的出现呢？首先，传输线的特性是影响信号完整性的一个重要因素。

在现代通信系统中，信号通常通过各种传输线进行传输，如电缆、微带线、双绞线等。

这些传输线具有一定的电阻、电感和电容特性，当信号在其中传输时，会产生信号的衰减和失真。

特别是在高速传输的情况下，传输线的寄生参数会对信号产生更大的影响。

其次，信号的反射也是一个常见的问题。

当信号在传输线的终端遇到不匹配的阻抗时，就会发生反射。

反射信号会与原信号叠加，导致信号的波形发生畸变，从而影响信号的完整性。

为了减少反射，通常需要在传输线的终端进行阻抗匹配，以确保信号能够顺利传输。

串扰也是影响信号完整性的一个重要因素。

在通信系统中，往往存在着多条并行的传输线，当信号在其中一条传输线上传输时，会通过电磁场的耦合在相邻的传输线上产生干扰信号，这就是串扰。

串扰会导致信号的噪声增加，降低信号的质量。

为了减少串扰，需要合理地设计传输线的布局和间距。

除了上述因素外，电源噪声、时钟抖动等也会对信号完整性产生影响。

电源噪声会导致信号的电压波动，从而影响信号的准确性；时钟抖动则会导致时钟信号的不稳定，影响整个系统的同步性能。

为了分析和解决信号完整性问题，工程师们通常采用一系列的方法和技术。

其中，仿真分析是一种常用的手段。

通过建立通信系统的模型，利用专业的仿真软件对信号的传输过程进行模拟，可以预测可能出现的信号完整性问题，并采取相应的措施进行优化。

高速数字电路设计中的信号完整性分析在高速数字电路设计中，信号完整性分析是非常重要的一环。

信号完整性分析旨在确保信号在电路中能够准确、稳定地传输，从而避免信号失真或干扰，保证电路的性能和可靠性。

首先，我们需要了解信号完整性分析的基本概念。

信号完整性是指在一个电路中，信号从发送端到接收端能够保持原有的形态和正确的数值。

在高速数字电路设计中，信号往往受到许多因素的影响，如传输线特性、阻抗、反射、串扰等，这些因素都有可能导致信号失真。

因此，对信号完整性的分析和优化至关重要。

在进行信号完整性分析时，我们需要首先考虑传输线的特性。

传输线的特性包括传输速度、阻抗匹配、传输延迟等，这些特性直接影响信号传输的稳定性和速度。

通过对传输线的建模和仿真分析，可以帮助我们了解传输线对信号的影响，从而优化电路设计。

另外，阻抗匹配也是信号完整性分析中的重要内容。

当信号源和负载的阻抗不匹配时，会导致信号的反射和衰减，从而降低信号的质量和稳定性。

因此，在设计电路时，需要确保信号源和负载的阻抗能够有效匹配，以减少信号的失真和干扰。

此外，信号完整性分析还需要考虑信号的传输延迟和时序关系。

在高速数字电路中，信号传输的延迟会对数据的同步和稳定性产生影响。

通过时序分析和延迟优化，可以更好地控制信号的传输速度和有效减少时序误差。

最后，在进行信号完整性分析时，还需要考虑信号的功耗和信噪比。

功耗会影响电路的工作效率和稳定性，信噪比则会影响信号和噪声的比值，从而影响信号的准确性和清晰度。

因此，在设计电路时，需要综合考虑功耗和信噪比等因素，以实现信号的高质量传输。

总的来说，信号完整性分析是保证高速数字电路性能和可靠性的重要步骤。

通过对传输线特性、阻抗匹配、传输延迟、功耗和信噪比等方面的分析和优化，可以更好地保证信号在电路中的准确传输，避免信号失真和干扰，从而提高电路的性能和可靠性。

希望以上内容对您有所帮助。

一、信号完整性研究：什么是信号完整性? 如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题， 可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。

早一 天遇到，对你来说是好事。

在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个 ns。

器件间的互连线不 至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。

但在今天的高速时代，随着 IC 输出开 关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问 题。

另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v 内核电压已经很常见了。

因此系统 能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。

广义上讲， 信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题， 它主要研究互连线的 电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后， 如何影响到产品性能的问题。

主要表 现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地 弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。

信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。

即使布线拓扑结构没有变化， 如果采 用了信号上升时间很小的 IC 芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。

下面谈谈几种常见的信号完整性问题。

反射： 图 1 显示了信号反射引起的波形畸变。

看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测一测 各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。

如果有，那么你 该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。

很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻， 至于为什么， 他们中很多人都 说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。

或许你知道，可是确实很多人说不 清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实是事 实，我碰到过很多。

其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。

信号完整性的基本概念1.信号完整性（Signal Integrity）：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。

2.传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线，我们称之为传输线，有时也被称为延迟线。

3.集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中，电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，各个元件上，各点之间的信号是瞬间传递的，这种理想化的电路模型称为集总电路。

4.分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯，整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络，这就是一个典型的分布参数系统。

5.上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为高电平所需要的时间，通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间，记为Tr。

6.截止频率（Knee Frequency）：这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围（0.5/Tr），记为Fknee，一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。

7.特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗，也称为浪涌阻抗，记为Z0。

可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。

8.传输延迟（Propagation delay）：指信号在传输线上的传播延时，与线长和信号传播速度有关，记为tPD。

9.微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。

10.带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。

11.趋肤效应（Skin effect）：指当信号频率提高时，流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近，甚至中间将没有电流通过。

信号完整性基础信号完整性问题过冲（overshoot/undershoot)振铃(ringing/ring back)非单调性(non-monotonic)码间串扰（ISI）同步开关噪声（SSN）噪声余量(noise margin)串扰(crosstalk)信号完整性（Signal Integrity）主要包括以下几方面问题：1.过冲（Overshoot/Undershoot)一般IC对于过冲的高度和宽度的容忍度都有指标。

因为过冲会使IC内部的ESD防护二极管导通，通常电流有100mA左右。

信号长期的过冲会使IC器件降质，并是电源噪声和EMI的来源之一。

2. 振铃（Ringing/Ring Back）振铃会使信号的threshold域值模糊，而且容易引起EMI。

3.非单调性(Non-monotonic)电平上升过程中的平台会产生非单调性，这有可能对电路有危害，特别是针对异步信号如：Reset、Clock等会有影响。

4. 码间串扰（ISI）主要是针对高速串行信号。

其产生的本质是前一个波形还没有进入稳态，另外也有可能是传输线对不同频率衰减不同所造成的。

一般通过眼图来观察，方法是输入一伪随机码，观察输出眼图。

5. 同步开关噪声（SSN）同步开关噪声会使单根静止的信号线上出现毛刺?V，另外还会影响输入电平的判断。

SSN的另一种现象是SSO（同步开关输出），这会使得传输线的特性如阻抗、延时等特性发生改变。

6. 噪声裕量（Noise Margin）控制噪声余量的目的是防止外界干扰，用于克服仿真没有分析到的一些次要因素。

一般对于TTL信号应留有200~300mV的余量。

7. 串扰（Crosstalk）串扰主要有线间串扰、回路串扰、通过平面串扰（常见于数模混合电路）三种形式。

通常示波器所观察到的数字信号。

图中为各相关的信号完整性参数：•Overshoot、Undershoot指信号的过冲。

•Ringback 指信号的振铃。

电子设计中的信号完整性分析在电子设计过程中，信号完整性分析是非常重要的一部分。

信号完整性是指在信号传输过程中保持信号的准确性、稳定性和可靠性，确保信号不会失真或受到干扰。

在现代高速电子设备和系统中，信号完整性分析变得尤为关键，因为高速信号传输会受到许多因素的影响，如信号衰减、延迟、串扰和反射等问题。

信号完整性分析最常见的方法之一是使用传输线理论。

在高速信号传输中，信号被视为在传输线上传输的电磁波，传输线上的阻抗、衰减、延迟等参数都会影响信号的传输质量。

因此，通过对传输线的参数进行建模和仿真，可以帮助设计工程师分析和优化信号的传输性能。

另外，时域分析和频域分析也是信号完整性分析的重要工具。

时域分析可以用来研究信号在时间轴上的波形变化，包括上升时间、下降时间、峰值电压等参数；而频域分析则可以用来研究信号在频率域上的频谱信息，包括频率响应、谐波失真等参数。

通过时域分析和频域分析，设计工程师可以更全面地了解信号的特性和传输过程中可能出现的问题。

除了传输线建模和时频域分析，设计工程师还可以通过仿真软件进行信号完整性分析。

仿真软件可以模拟不同信号在设计电路中的传输过程，帮助工程师快速找出潜在的问题并优化设计方案。

通过仿真软件，设计工程师可以对不同参数进行调整，如传输线长度、阻抗匹配、信号的波形和频谱，以达到最佳的信号完整性。

此外，设计工程师在进行信号完整性分析时还需要考虑一些其他因素，如接地设计、功率分配、EMI（电磁干扰）和ESD（静电放电）等。

这些因素都可能会对信号的传输过程造成影响，设计工程师需要综合考虑这些因素，以保证信号的可靠传输和稳定性。

总的来说，在电子设计中的信号完整性分析是保证高速电子系统可靠性和稳定性的关键步骤。

通过传输线建模、时频域分析、仿真软件以及综合考虑其他因素，设计工程师可以找出潜在的问题并优化设计方案，确保信号的准确传输和稳定性，从而提高电子系统的性能和可靠性。

通过不断学习和应用信号完整性分析的方法，设计工程师可以更好地应对日益复杂的电子系统设计挑战，推动电子科技的发展。

什么是电路中的传输线和信号完整性电路中的传输线和信号完整性是现代电子系统设计中非常重要的概念。

随着高速数字信号的广泛应用，特别是在计算机、通信和消费电子领域，传输线和信号的完整性对系统性能和可靠性至关重要。

一、传输线的概念和特点传输线是指用于传输电信号的导线或导体，可以是金属线、微带线、光纤等。

在电路中，当信号的频率高于直流或低频范围时，传输线的特性就会得到显现。

传输线的特点主要包括以下几个方面：1. 波速：传输线上的信号传播速度称为波速，它与传输线的物理特性有关。

传输线上的电信号不是同时到达终端的，而是以波的形式传播，波速决定了信号的传输延迟。

2. 传输延迟：传输延迟是指信号从发送端到接收端所需的时间。

传输线的长度、介质特性和波速等因素都会影响传输延迟。

在高速系统中，传输延迟需要严格控制，以确保信号的同步和准确性。

3. 阻抗匹配：传输线和信号源、负载之间的阻抗匹配是保证信号完整性的关键。

阻抗不匹配会产生信号反射和损耗，导致信号失真和能量浪费。

4. 传输损耗：传输线中的电阻、电感和电容等因素都会导致信号的衰减，造成传输损耗。

在设计传输线时，需要合理选择导线的材料、尺寸和布局等，以降低传输损耗。

二、信号完整性的重要性和挑战信号完整性是指信号在传输过程中保持原来的形状和特性，不受任何失真或损耗的影响。

在高速数字系统中，信号完整性对数据的正确读取和传递至关重要。

信号完整性的破坏会导致如下问题：1. 信号失真：高速信号在传输线上会受到多种因素的影响，如噪声、串扰、反射等，从而导致信号的形状和幅度发生变化。

信号失真会导致数据错误、时序偏移和时钟抖动等问题。

2. 时序偏移：由于传输线上信号的传播延迟，信号到达接收端的时间可能会发生偏移，造成时序错误。

在时序要求严格的系统中，即使微小的时序偏移也可能导致系统性能下降甚至故障。

3. 时钟抖动：传输线上的噪声和干扰会引起时钟信号的抖动，这会严重影响系统的稳定性和时序准确性。

1、什么是信号完整性（Singnal Integrity）？信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。

信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。

主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。

常见信号完整性问题及解决方法：问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线，检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源，变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻2、什么是串扰（crosstalk）？串扰（crosstalk）是指在两个不同的电性能之间的相互作用。

产生串扰（crosstalk）被称为Aggressor，而另一个收到干扰的被称为 Victim.通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（受害者）。

振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。

串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。

容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。

PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。

3、什么是电磁兼容（EMI）？电磁干扰（Ectromagnetioc Interference），或者电磁兼容性（EMI），是从一个传输线（transmission line）（例如电缆、导线或封装的管脚）得到的具有天线特性的结果。

印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性（EMI）的问题。

什么是信号完整性◆作者:佚名来源:网络点击数: 320 日期:2007-10-17 15:19:32问题：什么是信号完整性？信号完整性是什么意思？信号完整性（Signal Integrity）：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。

信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。

差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。

主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。

信号完整性的一些基本概念传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线,我们称之为传输线,有时也被称为延迟线。

集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。

分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处,当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯,整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络,这就是一个典型的分布参数系统。

上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为高电平所需要的时间,通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间,记为Tr。

截止频率（Knee Frequency）：这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围（0. 5/Tr）,记为Fknee,一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。

特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗,也称为浪涌阻抗,记为Z0。

可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。