无线通信基础知识16:信号完整性

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1、信号完整性

信号完整性(SI),是指信号电压(电流)完美的波形形状及质量。由于物理互连造成的干扰和噪声,使得连线上信号的波形外观变差,出现了非正常形状的变形,称为信号完整性被破坏。信号完整性问题是物理互连在高速情况下的直接结果。

信号完整性强调信号在电路中产生正确响应的能力。

信号完整性(SI)可以泛指由互连线引起的所有信号电压电平和电流不正常现象,包括:噪声、干扰和时序等。

狭义的信号完整性,是指信号电压(电流)波形的形状及质量,包括反射和串扰。由于物理互连造成的干扰和噪声,使得连线上信号的波形外观变差,出现了非正常形状的变形,称为信号完整性被破坏。

信号完整性问题是物理互连在高速情况下的直接结果。

 

2、高速信号

100MHz时钟是个界限,被模糊地称作高速数字芯片和系统。严格讲:高频不一定高速;低频也不见得低速。

当系统中的数字信号的上升边小于1纳秒(ns)时,我们称之为高速运行。此时互连不再透明,可能对电路和系统造成颠覆性后果。

信号不完整问题,是物理互连在高速下的直接严重结果。

 

3、互联的范畴

物理互连(Interconnect)包括芯片内连线、芯片封装、PCB板及电子系统连接等,它们极大地影响高速时的信号和电源分配网络质量。

真实的互连线,包括芯片内连线、压焊点、封装引线、芯片引脚;芯片外的PCB板线接头、线条、接插件、连接电缆等。此外还有各种无源元件,包括介质、基板、屏蔽盒、机壳、机架等。

 

4、信号完整性分类

信号完整性讨论的主要对象是数字信号,可以称这是一种模拟效应。数字信号的前沿包含大量的高频成分。

按照通常的说法,信号完整性分为芯片和PCB两个着力点。二者原理上相通、技术上有别。

分析和测量有时域和频域两类视点和途径。
 

5、反射

反射(reflection)是指传输线上有回波(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,但是有一部分被反射回来形成振铃(ringing)。

 

6、过冲

过冲(overshoot)是指第一个峰值或谷值超过设定电压;下冲(undershoot)是指紧邻的下一个谷值或峰值超过设定电压;振铃(ringing)就是反复出现过冲和下冲。

7、串扰

串扰(crosstalk)是指在两个不同的电性能网络之间的互作用。产生串扰的称为Aggressor,而被干扰的称为Victim。通常,每一个网络既是Aggressor,又是Victim。

 

8、地弹

地弹是返回路径中两点之间的电压,它是由于回路中电流变化而产生的。当流经接地回路电感上的电流变化时,在接地回路导线上产生的电压称之为地弹。

 

9、电磁干扰

电磁干扰(EMI,ElectroMagnetic Interference),也被统统归为电磁兼容(EMC)。它是一个传输线(例如电缆、导线或封装的管脚)具有的天线特性结果。印制电路板、集成电路和许多电缆发射并形成电磁干扰现象。FCC(美国联邦通讯委员会)定义了对于一定频率的最大发射水平(例如,应用于飞行控制器领域)。
 

10、信号完整性分析技术

分析信号完整性分为时域和频域两种途径和手段。

时域(time domain)是对一个信号波形进行的示波器观察,它通常用于找出管脚到管脚的时延、错位、过冲、下冲以及建立时间。

频域(frequency domain)是对一个信号波形进行的频谱分析仪观察,它通常用于波形与FCC以及其它EMI控制限制之间的比较。一个生动的例子就是收音机——你在时域中收听它,但是为了找到喜欢的电台位置你却需要在频域内搜寻。

 

11、传输线模型

传输线(transmission line)是一个网络(导线),它的返回路径可能是地、电源等。

设计高速PCB,用一半精力关注互连。采用传输线模型,考察传输线效应。PCB设计师从传输线的角度设计互连已经到90%以上。在设计中引入特性阻抗及匹配、反射、驻波等概念分析。

互连线本质上就是传输线。一条为信号线(Signal path),另一条为返回线(Return path),返回线不能理解成地线。设计信号线,也要设计返回线物理尺寸,让返回线靠近信号线等。

按传输线的概念看待互连,才容易用阻抗观点理解反射;用回路互感理解串扰;用净电感理解地弹等等。
 

 

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