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高速数字信号传输电路的设计与仿真

高速数字系统设计成功的关键在于保持信号的完整，而影响信号完整性(即信号质量)的因素主要有传输线的长度、电阻匹配及电磁干扰、串扰等。设计过程中要保持信号的完整性必须借助一些仿真工具，仿真结果对PCB布线产生指导性意见，布线完成后再提取网络，对信号进行布线后仿真，仿真没有问题后才能送出加工。目前这样的仿真工具主要有cadence、ICX、Hyperlynx等。Hyperlynx是个简单好用的工具，软件中包含两个工具LineSim和BoardSim。LineSim用在布线设计前约束布线和各层的参数、设置时钟的布线拓扑结构、选择元器件的速率、诊断信号完整性，并尽量避免电磁辐射及串扰等问题。BoardSim用于布线以后快速地分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰问题，生成串扰强度报告，区分并解决串扰问题。作者使用LineSim工具，对信号的阻抗匹配、传输线的长度、串扰进行了仿真分析，并给出了指导性结论。 数字信号是否为高速信号，除了与信号的频率有关，还与传输它的线路长度有关；智能化多端口矩阵测试高速信号传输高速信号传输

传输线反射系数反射系数包含源-反射系数（SRC）和负载反射系数（LRC），源反射系数是源内阻和特征阻抗关系；负载反射系数是负载阻抗和传输线的关系。信号在传输的过程中如果遇到阻抗突变，就会产生反射，反射电压的大小和入射电压以及传输线的阻抗有关，如下图所示，假设传输线个区域的瞬时阻抗为Z1，第二个区域的瞬时阻抗为Z2。

则反射电压和入射电压的比值为：Vreflected/Vincident=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）范围为：-1到1。传输线不连续导致的多次反射：以末端开路做说明：下图是一个振铃现象产生的示例，信号源的内阻为10Ω，往外发送一个上升时间为1ns、幅值为1V的阶跃信号，经过一段15cm的50Ω传输线，在传输线末端开路测量。很容易得到，在传输线两侧的反射系数分别为-0.667和1，传输线末端的信号幅值。 智能化多端口矩阵测试高速信号传输高速信号传输高速信号传输的信号完整性；

2.3.1信号完整性的定义信号完整性，

英文为SignalIntegrity，简称SI，指信号在传输过程中，其波形保持不变或只在可容许范围内失真，不影响信号接收器对信号的正确接收和解码。信号完整性表示信号的质量在经过传输通道传输后仍保持相对良好的特性。我们以“河道中的波浪”类比信号传输通道上的电信号，以河道与“空中的水汽通道”组成的波浪传输通道类比信号传输通道，可以更直观地理解信号完整性的概念，虽然这个类比不是十分恰当。

一条河道连接上游和下游两个水库，平静的河流在河道中流淌，当上游水库的闸门突然被抬高（或压低）时，河流上游端的水位由于水库出水量的突然增加（或减少）而升高（或下降），水位的升高（或下降）变化形成一个一定形状的波浪，波浪沿着河道向下游移动，直到下游水库入口处。波浪在移动到下游水库入口处时，其形状有两种情况：一是波浪的形状与在上游水库出口处形成时的形状保持着一定程度的相似性，我们就认为波浪形状在移动过程中是良好的，是完整的；二是由于各种原因使得波浪的形状与形成时的形状有很大差别，我们就认为波浪的形状是不良好的，是不完整的。

由天线原理可知，如果反射点恰好处于信号某个有效谐波波长的1/4处，则在该段传输线上任意位置入射信号和反射信号的相位相同，电流方向相反，信号幅值叠加，该段传输线构成射频发射天线。因此，一般情况下，如果其传输线长度大于该数字信号有效比较高谐波（一般为基频的3~5倍）波长的1/4时，则该数字信号相对该传输线就是高速信号。值得注意的是，数字信号是否为高速信号，除了与信号的频率有关，还与传输它的线路长度有关。

注意

信号传输是否为高速信号传输，不但取决于数字信号的带宽波长（等价于数字信号的速率），还取决于信号传输线的长度。数字信号的传输速率和其传输通道的长度是高速信号传输的两个不可分割的组成部分。例如，传输速率为1Mbps的RS-422信号在双绞屏蔽电缆上传输时，信号带宽为5×1MHz。信号带宽波长λ为3×108÷（4）1/2÷（1×106×5）=30（m）。假设电缆材料的相对介电常数为4，只有当RS-422信号传输通道长度大于7.5m时，才可以被当作高速信号传输。 高速喜好传输的传输速度；

高速信号传输技术的复杂性

（1）与高速信号传输相关的理论及概念缺失在学术上，与高速信号传输相关的SI、PI和EMC理论、概念和技术相当完整和成熟。但是，高速信号传播在电子设计工程化技术方面的理论和概念严重缺失。大多数从事电子设计专业的工程师缺少SI、PI和EMC相关理论、概念和技术，主要原因是在高等教育过程中缺少这些理论课程的教育和培训，在工作实践中也很少有相关专业理论、概念和技术的学习和培训。大多数高校还没有高速信号传输技术相关专业课程。大部分高校虽然设立电磁兼容性专业课程，但这些课程是专为电磁兼容专业的学生而设立的，课程的内容尤其是麦克斯韦方程的解算对于一般电子设计专业的学生来讲很高深，电子设计专业讲授的大多是逻辑设计和电子设计的相关课程。

高速信号传输的界定高速信号可以定义为；智能化多端口矩阵测试高速信号传输高速信号传输

高速信号是需要对其传输线进行设计；智能化多端口矩阵测试高速信号传输高速信号传输

数字信号的时域特性

例如，对于1GHz的理想方波，其幅值为1V，将其变换到频域中的频谱则描述如下：●个频率分量的频率是0，幅度为0.5V，这个分量描述了时域中的直流分量，称为零次谐波；●第二个频率分量的频率是1GHz，幅度为0.63V，这个分量称为一次谐波，一次谐波与零次谐波叠加，在时域中得到均值偏移为0.5V的正弦波。这与理想方波还有一定的差距；●第三个频率分量的频率是3GHz，幅度为0.21V，这个分量称为三次谐波，三次谐波和一次谐波、零次谐波的叠加结果再叠加，在时域中得到的信号波形顶端更平滑，更接近于方波，上升时间更短；……依次下去，将所有相继的高次谐波与前面已经叠加的结果叠加，得出的结果会越来越像方波，上升时间会越来越短。 智能化多端口矩阵测试高速信号传输高速信号传输