信号完整性(SI)是关于在发射器和接收器之间的路径(通道)上可能发生的信号退化的损失和类型。在一个完美的世界里，发射器的通信将立即被接收器听到，信号没有变化。均衡方法存在于发射器和接收器中，以帮助纠正信道损耗，但它们有其局限性，并且信道仍然必须具有最低水平的性能。SI工程师面临的挑战是如何表征存在于通道中的信号损耗，并确定控制性能的关键因素。在模拟和测量中使用时域和频域分析是成为给定信道设计专家的快速方法。

仿真建模

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从仿真开始，可以使用测量、EM仿真和/或算法模型构建通道的分布式模型，这些模型级联在一起以预测通道性能。可以查看输出眼图以查看总体性能，并通过改变数百个变量进行蛮力模拟以找到最佳性能。更好的选择是运行快速的时间和频域分析，以获得洞察力并减少需要模拟的设计空间。图1展示了时域反射(TDR)和透射率(TDT)可以用来获得信号在通过信道时发生的空间信息。TDR显示反射发生的位置，从而减少到达发射机的信号量。TDT显示了上升时间是如何被通道中的材料损失所降低的。相邻信道上的近端串扰(NEXT)通过与该分量的TDR反射在时间上一致来显示哪个分量可能开云体育官网登录平台网址是噪声耦合的来源。

这是对时域分析能力的一个非常高层次的了解。要成为阅读TDR/TDT和频率相关损耗的专家，一些非常简单的模拟可以提供帮助。通道中遇到的阻抗不连续的两种基本类型是阻抗的一系列变化和信号路径分支的存根。模拟从比信号上升时间短的长度到比信号上升时间长得多的长度的串联阻抗不连续，在时域和频域显示出两种截然不同的响应。当不连续的长度比信号的上升时间更短时，反射变小，更多的信号通过(见图2一个)。在较长的长度上，串联阻抗不连续两端的双重反射产生正向行波，该行波在时间上被延迟，并被添加回发送到接收器的信号中(参见图2 b)。这导致信号的幅度对频率产生波纹。纹波谷位于向前行波与相位180度的频率处，并解构地添加(见图2 c)。

短段谐振器表现出一些相同的行为。当短段比上升时间短得多时，反射减少，更多的信号通过接收器(见图3一)。比上升时间长一段(参见图3 b)会导致严重的损失，其中从存根末端的100%反射解构地增加了向前的行波(见图3 c)。

模拟可以很容易地创建具有相同多余电容和增量阻抗变化的存根和串联阻抗不连续，以查看这两种类型的结构在时域和频域中的比较。重要的不仅仅是TDR峰值高度，还有后来发生的双重反射的微妙信息。通过这两个简单的模拟，SI工程师可以查看接收器的眼图，s参数频率响应或TDR/TDT时域响应，并知道问题是串联阻抗还是短段阻抗不连续。

寻找emi的原因

TDR/TDT提供的空间信息也可用于理解和排除来自物理信道的EMI问题。虽然在高速串行设计中有许多潜在的电磁干扰源，但最典型的是由差分通道产生的共电流引起的辐射。外部双绞线上小至10mv的普通信号就会导致FCC认证测试失败。理论上，如果驱动器产生一个完美的差分信号，并且信号通过一个完美的差分通道，就不会产生共信号。不幸的是，在实践中这种情况很少发生。

假设驱动器是完美的，并且只考虑通道，耦合差分通道中的任何不对称都会将一些差分信号转换为公共信号。这就是所谓的“模式转换”(参见图4)。模式转换通常是由耦合线的不对称性引起的，例如不相等的线宽和/或长度，不同的“局部”有效介电常数或地平面不连续。TDR可以在两个方面提供帮助。首先是确定是否存在模式转换。使用TDR，用差分信号刺激端口1的通道，并测量端口2的共模响应。图5给出了一个典型背板的测量结果。从这些测试结果可以得出三个结论:

• 在信道中有模式转换
• 普通信号和差分信号以相似但不完全相同的速度传播
• 差分刺激的边缘速度对模式转换的影响较小。

TDR可以提供帮助的第二种方法是查看反射信号，以确定被测设备(DUT)中的哪些因素导致模式转换。图6显示了在端口1用差分信号刺激被测设备，并在端口1测量差分和共反射信号时的测量结果。当刺激通过通道传播时，遇到的任何不对称都会产生一个共同的信号。一些公共信号会传播到端口2，一些会传播到端口1，在那里它被测量为T_CD11．由于共信号的速度与差分信号的速度相似，因此可以利用阻抗剖面中与共信号一致的特征来确定模式转换的原因。在这种情况下，模式转换是由子卡和背板中的通孔域引起的。

夹具的影响

最后，分布式信道仿真和测量成功的关键是测量被测对象的能力。在高频率下，这可能是相当具有挑战性的，因为夹具开始成为信号退化的重要来源，需要先进的校准技术从测量中移除夹具。

已经开发了许多不同的方法来消除测试夹具对测量的影响;这分为两类:直接测量(测量前的过程)和去嵌入(测量后的处理)。去嵌入使用测试夹具的模型，并在数学上从整体测量中去除夹具特性。这种夹具去嵌入程序可以为非同轴DUT产生非常精确的结果，而无需复杂的非同轴校准标准。直接测量技术需要专门的校准标准，将其插入测试夹具并进行测量。设备测量的准确性依赖于这些物理标准的质量(参见图7)。

最常见的校准方法被称为TRL，用于传输(或通过)，反射和线。TRL标准的限制是连接器和发射都是相同的，用于直通和线路标准的所有传输线具有相同的阻抗，损耗和传播常数-只是长度不同。所需的线数将取决于校准套件所覆盖的频率范围。每条线路的可用频率范围是通过比较线路标准和直通标准的相位来确定的。微波测试应用已经使用TRL校准技术超过40年的矢量网络分析仪(VNA)。TRL校准技术仅依赖于短传输线的特性阻抗。通过两组不同的双端口测量值和两组反射测量值，可以确定完整的12项误差模型。由于校准标准简单，TRL可以应用于微带、带状线和波导等色散传输介质。凭借精密的同轴传输线，TRL自1975年以来一直提供最高精度的同轴测量。

最近开发的一种称为差分串扰校准(也称为差分TRL)的校准方法是普通单端TRL的差分版本，使用差分而不是单端结构。微分TRL是为数不多的校准算法之一，另外还有自动夹具移除(AFR)，可以考虑并消除耦合。与前面描述的单端TRL相同的约束也适用于这种微分方法。由于这些是差分标准，因此有额外的约束:模式转换，无论是共到差分还是差分到共，都应该是- 30db或更好。线与线之间的斜度要小于10度。与单端TRL校准套件一样，夹具可能是不对称的(左右半夹具不需要相同的长度或阻抗)，但夹具需要从上到下对称(即差分对的一个分支到另一个分支)。

最新一代的AFR算法通常被称为“单端口AFR”。这个单端口的参考可以是单端端口或差分端口，但在这两种情况下都不需要通过测量。这使得更简单和直接的纠错，因为用户可以简单地使用开放式夹具作为参考标准，节省设计时间和制造成本。与单端AFR类似，有一种差动自动夹具拆卸方法。这种方法的不同之处在于它是微分的;因此，夹具中存在的任何耦合也会在流程中被移除。除了需要对称(从右到左)之外，像单端AFR一样，thru也必须从上到下对称。与单端版本一样，与相关的多个TRL结构相比，实现和构建所需的时间更少。

通过设计案例研究，展示了在典型PCB制造公差为目标阻抗的±10%的情况下制造2x穿过夹具的应用。这意味着100 V的差分阻抗可以高达110 V或低至90 V，在2x通孔阻抗中高达20 V的扩展，更重要的是，要移除的夹具与制造的2x通孔之间存在显着差异。通常，TRL和AFR的主要假设之一是夹具和校准2x通过标准具有相同的阻抗。校准算法的另一个突破现在存在，其中夹具和校准2x通过标准之间的阻抗差异是可以容忍的。这提供了新的灵活性，通过避免校准2x直通标准的多个板匝来提高精度并缩短实施时间。这种增强的AFR算法将采用夹具A + DUT +夹具B的原始测量，并将其与2×通过进行比较。通过指定表征夹具不等于DUT测量夹具，AFR将使用实际夹具阻抗，并允许适当的阻抗来完成误差校正方法。在时间t = 0之前产生错误响应的因果关系问题大大减少了(参见图8)。这种新颖的功能为自动夹具移除和s参数精度提供了另一个突破。

信号完整性工程师在实验室中有许多可用的工具，使工作更轻松。¹微波传输线知识、校准和误差校正技术以及时域直觉在识别和解决问题的根本原因方面都发挥着重要作用。仿真加测量技术可以帮助提供洞察高速串行通道的成功。开云体育官网登录平台网址

参考

1. Mike Resso和Eric Bogatin，“信号完整性表征技术”，2^nd版，国际工程协会。