利用S参数来描述PCB串扰

如果您给某个传输线的一端输入信号，该信号的一部分会出现在相邻传输线上，即使它们之间没有任何连接。信号通过周边电磁场相互耦合会产生噪声，这就是串扰的来源，它将引起数字系统的误码。一旦这种噪声在相邻传输线上出现，它将和任何其它信号一样的传播，最终被传输到传输线末端的接收机上，这种串扰将会影响到接收机所能承受的噪声的裕量。在低端的模拟应用中，小到0.01%的串扰也许是可以接受的，在高速数字应用中，一般能接受高达5%的串扰。

不幸地是，在很多高速互连系统中，串扰带来的信号幅度很容易超出系统能接受的幅度的10%，这将使得系统的误码率增加。定量测量从干扰源传输线到受干扰对象传输线的串扰大小是确认和消除可能的误码源的重要调试手段。

S 参数的概念是源于对互连器件或系统的微波属性的描述，提供了描述从音频范围到毫米波频率范围的应用中存在的串扰的最直观方法。毕竟S参数矩阵中的每个参量事实上都是正弦信号从互连系统中某一端口输出和另一端口输入之间的比较。在传输线结构中，S参数中的有些参量表示的就是传输线到传输线之间串扰的直接测量结果。在差分对中也是可以直接测量的。

耦合的传输线待测物

为了演示如何用S 参数来描述串扰，我们设计了一个由四条耦合的传输线组成的待测物，如图1所示。它们的末端标识为从1到8的数字。连接到每个末端的是一个端口，可以当作是一个50欧的传输线端接。测量DUT时的端口分配推荐是按端口1到端口2，3到4，5到6，7到8来标识。

图1、四条耦合的传输线图片，本例中末端标识了推荐的端口分配数字，每条线不卷绕时大约11inch长

这个DUT的S参数矩阵中每个参量是正弦波形从一个端口输入再从另外各个端口输出的比例。有8个端口就有8x8=64种不同的输入和输出组合。S参数矩阵形式便于记录每种组合。矩阵中的每个参量的数字表示哪个是输入端口，哪个是输出端口，比如S21就表示端口2输出和端口1输入之间的比例。这个术语传统习惯上被称做插入损耗，它表示的物理意义是信号经过通道传输过程中产生的衰减。

作为两个正弦波形的比例，S参数矩阵中的每个参量都是复数，通过实部和虚部值或幅值和相位来描述。幅值是输出端口波形和输入端口波形幅度的比例，一般是以50欧作为每个端口的端接阻抗。

S参数中的大多数术语表示的是端口之间串扰的直接测量结果。在一条传输线上的端口1输入正弦波形，在相邻的传输线的端口3的输出之间的串扰标识为S31，而相应地从端口1输入，端口4输出的串扰则表示为S参数矩阵中的S41。

串扰的微妙之处

即使在低频段，相邻两传输线之间的串扰大小也和被干扰传输线是哪个端口有关。反向传输的串扰是耦合的电容和电感之和而前向传输的串扰是耦合的电容和电感之差。理论上来说，S31不等于S41。图2是利用力科的信号完整性网络分析仪SPARQ测量到的这两个参量S31和S41，比如在20MHz，近端串扰S31和远端串扰S41是不一样的，近端串扰S31会大于远端串扰S41。互连系统中串扰信号的这种表现形式可能是一个和直觉上恰恰相反的特征，即使S31和S41是在相同的互连系统中从相同的干扰源测量到的串扰，被干扰传输线上每一端口的噪声明显不同，特别是在100MHz以上。

图2、利用力科的SPARQ测量相邻传输线上的串扰

左图：水平轴满刻度为1GHz 右图：水平轴满刻度为20GHz 垂直刻度是相同的：满刻度40dB，顶部是0dB

仅仅量化出现在两条传输线上的噪声并不能很好地说明问题，还要量化噪声在被干扰传输线上的传播方向，所以被干扰传输线上的两端口次序要分别进行标识，如S31和S13。

根据S参数标识，S31就表示被干扰传输线靠近干扰发生源端的噪声，称作近端噪声。将干扰源上的信号传输方向定义为正向，那么近端噪声是被干扰传输线上和信号传输方向相反的噪声。S41是在受干扰传输线的远端测量到的噪声，是正向的。如图1所示紧耦合的微波带传输线近端噪声达到峰值时为-13dB，相当于原信号的22%，远端噪声峰值大小则可以达到-4dB，相当于原信号的63%。这么大的数值表明这两条传输线之间的耦合是非常紧的。

S参数在形式上就定义了哪个端口是信号的输入，哪个端口是信号的输出，这使得S参数天然就很适合描述串扰。

利用S参数描述串扰的频域和时域响应

虽然S参数是基于正弦波的行为而得到的，但对于所有线性无源时不变的互连系统，通过了解正弦波信号的行为就可以了解任何其它波形的行为。

常见的时域波形是带有高斯上升时间的0V到1V的阶跃信号。互连系统对该信号中的每种频率成分的响应即通过S参数来描述。利用数学运算，阶跃信号转换为频