使用TDR、网分和建模技术获得信号完整性的技巧

信号完整性（SI）讨论的是发射机和接收机之间的路径（通道）上可能发生的信号退化的损耗及类型。在理想状况下，接收机能在瞬间收到发射机发送的信号，且信号不会发生变化。在发射机和接收机上都会采用均衡方法，以帮助纠正通道损耗。但均衡方法也有其局限性，且通道仍然必须具备最低水平的性能。SI工程师面临的挑战包括如何表征通道中的信号损耗，以及如何确定影响性能的关键因素。在仿真和测量中使用时域和频域分析可以帮助工程师迅速掌握给定通道的设计。

仿真建模

从仿真开始，我们可以构建测量通道、EM仿真和/或算法模型的分布式模型。它们级联在一起，以预计通道性能。我们从输出眼图可以看到总体性能，并可以通过改变数百个变量来进行蛮力仿真，从而找到最佳性能。更好的方案是运行快速时域和频域分析，以深入了解并减少需要仿真的设计空间。图1所示为如何运用时域反射计（TDR）和时域透射（TDT）来获得空间信息，了解信号在经过通道传输时会发生什么变化。TDR显示出发生反射的位置，这使得到达发射机的信号量下降。TDT显示出通道中的材料损耗如何影响到上升时间。相邻通道上的近端串扰（NEXT）显示出哪些分量可能会因为在时间上与分量的TDR反射一致而造成噪声耦合。

图1、物理通道的分布式模型及生成的TDR和TDT。

这是对时域分析功能的高度概括。要成为解析TDR/TDT和频率相关损耗方面的专家，有一些简单仿真可以提供帮助。通道中发生的两种基本类型的阻抗不连续分别是阻抗的串联变化和信号路径分支的残根（stub）。从小于信号上升时间的长度到远大于信号上升时间的长度对串联阻抗不连续进行仿真，可以得到两个截然不同的时域和频域响应。随着不连续的长度逐渐变得比信号的上升时间短，反射会变小，传输通过的信号增多（见图2a）。如果长度更长，串联阻抗不连续两端会出现双重反射，从而生成时间延迟的正向行波，并会添加到进入接收机的信号中（参见图2b）。这会导致信号幅度对应频率产生波动。波谷所处的频率位置上，正向行波与相位偏移180度且分解性地添加（参见图2c）。

图2、串联阻抗不连续的TDR和眼图，（a）长度小于信号上升时间，（b）长度大于信号上升时间。相同不连续的插入损耗（c）。

残根谐振器也表现出一些相同的特性。如果残根比上升时间短，反射减小，更多信号进入接收机（参见图3a）。如果残根比上升时间长（参见图3b），则会导致明显的损耗，其中，残根末端的反射会100%无损添加到正向行波上（参见图3c）。

图3、残根阻抗不连续的TDR和眼图，（a）长度小于信号上升时间，（b）大于信号上升时间。相同不连续的插入损耗（c）。

通过仿真，可以采用同样的过量电容和增量阻抗变化很容易地构建残根和串联阻抗不连续，从而将这两种类型的结构在时域和频域中进行比较。不仅TDR峰值高度会有关系，之后发生的双重反射的详细信息也有关系。利用这两个简单的仿真，SI工程师就可以查看接收机上的眼图、S参数频率响应或TDR/TDT时域响应，然后判断问题是出在串联阻抗不连续还是残根阻抗不连续。

找出EMI的原因

工程师也可利用TDR/TDT提供的空间信息，来理解和诊断物理通道的EMI问题。虽然在高速串行设计中EMI有许多潜在来源，但最典型的来源是差分通道生成的公共电流所造成的辐射。外部双绞线上一个低至10毫伏的公共信号都可能会导致FCC认证测试失败。从理论上讲，如果驱动器生成完美的差分信号，且信号通过完美的差分通道，那么不会有公共信号产生。不过，在实践中这种情况很少出现。

假设驱动器是完美的，并且只考虑通道的话，耦合差分通道中的任何不对称都会将某些差分信号转换成公共信号。这被称为"模式转换"（参见图4）。模式转换通常是因耦合线路上的不对称引起的，如不相等的线宽和/或线长，不同的"局部"有效介电常数，或接地面的不连续。TDR可以通过两种方式提供帮助。

图4、耦合差分传输线中的不对称会在输出端生成公共信号。

第一种方式是确定是否存在模式转换。使用TDR，可对端口1上的通道采用差分信号进行仿真，并测量端口2的共模响应。图5所示为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：

• 通道内存在模式转换

• 公共信号和差分信号以相似但不完全相同的速度传输

• 差分激励的边缘速度对模式转换的影响不大。

图5、背板上测得的TDT响应，所示为差分和共模响应（a）以及对应激励上升时间的共模响应放大图（b）。

第二种方式