原创 信号完整性基本概念

一. 什么时候应该考虑信号完整性

“有两种电子工程师，一种是已经遇到了信号完整性问题，另一种即将遇到信号完整性问题”这句某位SI大师的名言已经说明了SI在现在电子设计领域中的重要性，但是对于"何时应该考虑信号完整性"，或者"这类问题，还是很难回答，google 了一下，答案也是各种各样，基本上为以下几种：

1.凡是频率大于50MHZ的信号(也有说30MHz), 就是高速信号

2.当信号上升沿(或者下降沿)时间小于50ps时，就认为是高速信号

3.当信号所在的传输路径长度大于1/6倍传输信号波长时，信号被认为是高速信号

4.当信号沿着传输路径传输，发生了严重的趋附效应时，被认为是高速信号

注：趋附效应：对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随着电流频率的提高，趋肤效应使导体的电阻增大，电感减小

    上面几种说法似乎都对，但是当工程师面对实际比较复杂的问题时，还是感觉一头雾水，不知所云，在我看来，狭义的信号完整性所研究的是信号通过传输线以后可以在接收端接收到不失真的信号，所以反推回来，只要信号畸变到无法容忍的程度，就需要考虑信号完整性。比如某信号ringback超过了Vih 或 Vil 的 Spec, 我们就要考虑是不是应该考虑信号完整性问题了。

    但在实际的工程中，这个问题要复杂的多，还是要具体问题具体分析，比如说波形畸变多大，会对电路板功能产生影响，这没有确定统一的指标，和具体应用以及电路板的其他电气指标有关，对于数字信号而言，对畸变的容忍度较大。比如幅度是3.3V的信号就比1V 的信号容忍度打，在具体一点，能有多大的容忍度，还要考虑电路板上的电源系统供电电压波纹有多大，系统的噪声余量有多大，所用器件对于信号建立时间和保持时间的要求是多少等等。对于模拟信号，相对比较敏感，容忍度较小，至于能容忍多大的畸变，和系统噪声，器件非线性特性，电源质量等等有关。

二. 什么是信号完整性

当我们知道应该考虑信号完整性以后，在来看看什么是信号完整性，现在信号完整性在电子设计中的地位越来越重要，似乎如果你是一个电子工程师，你的项目中不谈信号完整性，你都不好意思和人家打招呼 ：）

笼统的讲，信号完整性SI (Signal Integrity)是指信号在信号传输线上的质量，在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就认为信号是完整的。如果每个信号都是完整的，那么由这些完整的信号组成的系统，也同样具有很好的完整性。

下面是一个简单的例子，一个方波信号在经过了3 inch 的传输线后，在接收端看到的是一个具有振铃的信号(黄色的信号), 当然，并不能说明这个信号是有问题的信号，这个例子只是说明，在经过了一段传输线后，原来的信号其实已经变了，或许已经变成了我们不认识的另外一个信号了 ：）

继续分析上面的波形，假设这是一个受反射影响的方波数字信号(黄色信号)，波形的畸变仅仅是反射的结果，没有迭加其他噪声。假设低电平逻辑小于0.7v，高电平大于2v。对于高电平来说，震荡的低谷部分可能会冲到2v以下，此时电路处于不定态，可能引起电路误动作。所以，迭加在高电平上的波纹幅度不能太大。由于电路存在噪声，电源也有波纹，这些最终都会迭加到信号波形上，所以你计算波纹幅度的时候要考虑这些因素，而这些因素和你的电路板其他部分设计有关。所以你无法确定一个统一的畸变标准，只能根据你具体电路的设计和应用综合考虑。最终的原则只有一个：通过信号完整性设计、电源完整完整性设计等手段，将总的信号畸变控制在一定范围内，保证电路板正常稳定工作。

所以说，广义的信号完整性是一个非常复杂的系统，一个信号的问题可能涉及到信号完整性，电源完整性，电磁完整性等问题，对于一些负责的系统来说，SI,PI和EMI协同设计时当今高速数字系统设计的唯一有效途径。

三. 信号完整性研究那些问题

Eric博士在他的著作《Signal Integrity - Simplified》里面，说到所有的信号完整性问题可以分为四类：

1.Single Trace Signal Integrity: 单根传输线的信号完整性问题

2.Crosstalk:相邻传输线之间的信号串扰问题

3.PI Related: 与电源和地分布相关的问题

4.EMI:电磁干扰和污染问题

这四类解决方案是按照层次逐级递进的。也就是说，在实施信号完整性解决方案时，要按照上述的分类顺序依次解决好问题，然后在解决下一个层次的问题，显然，Eric博士的观点涉及的其实已经是广义的信号完整性了，它融合SI,PI,EMI为一体。在实际应用中，SI,PI,EMI经常由不同的工程师负责，这个时候就要协同合作，做出相对完美的产品。

PI和EMI内容会在后续文章中提到，在实际工作中，信号完整性问题的根源大部分都是反射和串扰。在所有的单个网络信号完整性问题中，几乎所有的问题都来源于信号传输路径上的阻抗不连续所导致的反射，反射是指传输线上存在回波，驱动器输出信号(电压/电流)的一部分经传输线到达负载端的接收器；由于不匹配一部分被反射回源端驱动器，在传输线上形成振铃。而串扰是指两个不同互联网之间引起的干扰和噪声。对于具体的问题，后面会有专门章节进行讨论。