【知识分享】信号串扰的基本工作原理
【知识分享】信号串扰的基本工作原理
串扰是PCB和封装互连中导致信号衰减的复杂现象之一，由信号链路系统中的不必要的耦合引起。了解串扰的来源、如何合理量化串扰以及如何有效减轻串扰，对于电子系统设计至关重要。本文将深入探讨串扰的基本工作原理、起源及其量化方法。
0 引言
PCB和封装互连中，串扰可以说是导致信号衰减的最复杂的现象之一，它是由信号链路系统中一系列不必要的耦合引起的，并且存在很大的不确定性。评估往往基于最坏情况进行展开，这可能导致系统的过度设计，但如果忽略，又可能导致系统故障，在设计后期更加难于发现和整改，除此之外，由串扰引起的失真几乎无法通过收发器的信号调节技术来校正，因此，了解串扰的来源、如何合理量化串扰以及如何有效减轻串扰，是非常重要的设计环节。
1 串扰的起源
如微带线、带状线、共面波导等，都是开放式的波导结构，这意味着信号能量主要集中于信号导体周围的电介质中，并沿着导体传播，如图所示，正是带状线中0.5V信号的峰值能量流密度（peak power flow density-PDF）的归一化分布效果。
可观察到，PDF集中在带状线边缘附近和上下平面之间，红色、橙色和黄色是大部分信号能量的分布区域，但是，绿色区域（即23倍线宽的水平区域），能量强度在-25-30dB之间，这个耦合强度依然可能导致干扰或串扰的发生，设计中，其它敏感信号是不允许进入该绿色区域的。
相较于带状线，微带线的信号能量分布情况则更糟，因为空气中的能量耦合面积比基板介质中更大，从而可以有效干扰附近处于绿色区域的任何走线或导体。
类似的情况，在非对称式的带状线中同样存在，如下图所示，由于内层走线更靠近下平面，导致能量更多地耦合在下平面与走线之间的区域。
2 串扰的量化
说完电场的纵向分布，再使用如下图所示的微带线模型来说明信号在平行段中的串扰，两条独立微带线的线宽均为16mil、特性阻抗都为50 Ω，信号在顶部走线中从端口p1传播到端口p3，底部走线在其间隔16mil处，并行走线长度为1inch。
从PDF效果图中，可以观察到，顶部走线的能量以波浪形式耦合到底部走线中，根据信号的流向，相对于端口p1，耦合到p2端口的能量称为近端串扰（NEXT）、耦合到p4端口的能量成为远端串扰（FEXT），那么，描述这种能量再分配现象的最基本和最方便的方法就是散射参数（S参数）。实际中，几乎所有互连技术指标，都是从S参数推导而来。
如图所示，将上述的耦合现象以S参数的数据形式显示出来，S31表述的是顶部走线的信号能量从端口p1传输到端口p3，即插入损耗，同理，S21表征的是NEXT，S41表征的是FEXT，即近端和远端串扰的量化数据。可以看到，S31随着频率的增加而减小，斜率随着材料损耗的加剧而变快。其中，S21是频率相关的，最大值和最小值由耦合段中奇偶模的传播速度差和段长度定义。
如果将耦合长度增加，也可以发现，S41也是频率相关的，其最小值和最大值随固定频率周期性重复。如图所示，最大的FEXT发生在10GHz处，此时，对应的插入损耗S31指标最差，这同样是20Gbps信号的奈奎斯特频率，因此，在设计早期，就必须使用严格的仿真来检测和避免此类耦合情况。
另外，S参数具有互易性，即S41=S14、S21=S12，换言之，如果攻击者和受害者互换，串扰不会改变。
数字信号通常是通过脉冲传输的，为此，可以根据上述的四端口结构的S参数计算脉冲响应。
如下图所示的时域仿真结果中，从p1端口到p3端口的传输用左图的S31表示，其对应的脉冲响应用中间的红色曲线表示，从p2端口到p3端口的传输用左图的S32表示（即FEXT），其对应的脉冲响应用中间的橙色曲线表示，此时，如果信号在平行耦合段中沿着相同方向传播，信号的脉冲响应和远端串扰脉冲响应就会叠加形成右图所示的时域波形。
但是，由于实际中端口p1和p2的脉冲时间经常不同步，串扰的位置相对于信号脉冲是任意的，就只能找到最坏的相对时间进行量化。
如下图所示，将攻击线的信号流向互换，可以得到p3端口相对于攻击线输入端口的近端串扰参数S34。
从时域仿真结果中，可以看到，NEXT的最大值约为-20dB，这就给出了相对较小的串扰脉冲响应，并且分为两部分：第一部分立即出现在端口p3的波形上，而第二部分延迟出现，实际上，对于具有大量衰减的长耦合链路，随着频率的变化，可能也就发现不了第二部分的影响。
3 总结
最后，实际的串扰分析，可能远远比上述的原理要复杂，并且展现的干扰现象也会与文中所述不一致，但只要把握住S参数和工作频率间的关系，分析过程倒不至于毫无头绪，需谨记，对于功率而言，0dB表示完全地串扰耦合，-3dB表示一半的功率耦合，-6dB表示四分之一的功率耦合，-20dB表示10%的功率耦合，-40dB表示1%的功率耦合。
本文翻译整理自“How Interconnects Work: Anatomy of Crosstalk”一文。
原文链接：
互连的工作原理：串扰剖析 |信号完整性日志
https://www.signalintegrityjournal.com/blogs/12-fundamentals/post/3441-how-interconnects-work-anatomy-of-crosstalk