什么是信號(hào)完整性？又該如何學(xué)好信號(hào)完整性呢？

隨著5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的新起，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求越來(lái)越高?，F(xiàn)在在部分發(fā)達(dá)地區(qū)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在部署，相應(yīng)的光模塊廠家在今年的10G PON系統(tǒng)的光模塊發(fā)貨也在逐漸增多。用于數(shù)據(jù)中心的400Gbps PAM4技術(shù)的光模塊也開始陸續(xù)有廠家發(fā)貨。在這些技術(shù)發(fā)展的背后，都是對(duì)帶寬的需求，而大帶寬的背后又是高速數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展在支撐。

像我們生活中常見的USB3.0、PCEI4.0、HDMI2.0、 SATA3.0等等接口都屬于高速數(shù)字接口，這些接口當(dāng)中最高的板級(jí)速率以達(dá)到32Gbps。其實(shí)不管怎么說(shuō)，我們已經(jīng)身處在一個(gè)高速數(shù)字的時(shí)代。隨著技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)傳輸?shù)乃俾蕦?huì)越來(lái)越高，通信速率正朝著400Gbps、800Gbps、1.6Tbps的方向發(fā)展。

因此我個(gè)人認(rèn)為，目前的世界從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是屬于高速數(shù)字的世界，未來(lái)將需要大量的懂高速電路設(shè)計(jì)的人才。

談到高速電路設(shè)計(jì)，就不得不提起信號(hào)完整性，這是因?yàn)殡S著信號(hào)傳輸速率的提高，必然會(huì)遇到信號(hào)完整的問題，如果處理不好，將導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)失敗，重新投板的時(shí)間成本太高，產(chǎn)品就會(huì)錯(cuò)過(guò)上市期。

這跟傳統(tǒng)的低速傳輸時(shí)代有很大區(qū)別，在低速時(shí)代使用的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技巧已經(jīng)不再適用于高速電路的設(shè)計(jì)，需要新的知識(shí)理論和新的處理問題的方法。這種新的理論就是信號(hào)完整性理論，新的處理問題的方法就是仿真。

那么究竟什么是信號(hào)完整性？又該如何學(xué)好信號(hào)完整性呢？

一、什么是信號(hào)完整性

引用Eric Bogatin的書里對(duì)信號(hào)完整性的定義，可以表述為：“由有源器件和無(wú)源元件引起的所有電壓和電流的異?，F(xiàn)象，包括幅度上的噪聲與干擾，時(shí)序上的抖動(dòng)與錯(cuò)位等?！?/p>

如下圖所示，就是典型的信號(hào)完整性問題，這是由于阻抗不匹配導(dǎo)致的幅度上的振鈴現(xiàn)象。

圖1

再如圖2所示，也是典型的信號(hào)完整問題，這是由傳輸線的損耗導(dǎo)致的碼間干擾問題，這將引起收端眼圖的閉合，如圖3

圖2

圖3

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，信號(hào)完整性需要解決通道的阻抗匹配、以及 由通道的損耗導(dǎo)致的眼圖閉合、通道間的相互串?dāng)_等問題，對(duì)于芯片設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，需要解決的是如何將自家的芯片做成均衡能力強(qiáng)大、功耗又低的收發(fā)一體化集成方案，具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是他們需要解決的。

對(duì)于高速數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要解決3個(gè)方面的問題，信號(hào)完整性（SI）、電源完整性（PI）以及電磁輻射問題（EMI）。這3大類問題有一定的關(guān)聯(lián)性，很多時(shí)候解決好SI的問題其實(shí)也會(huì)解決EMI的問題，電源完整性問題解決好之后，相應(yīng)的SI和EMI也會(huì)好。

二、如何學(xué)好信號(hào)完整性

學(xué)好信號(hào)完整性有兩點(diǎn)非常重要，一是深刻理解信號(hào)完整性的基本原理，如傳輸線效應(yīng)、回流等等，二是掌握一門仿真軟件，如ADS/HFSS等。而這兩點(diǎn)往往又是相對(duì)比較難學(xué)的兩點(diǎn)，所以很多人會(huì)覺得信號(hào)完整性入門很難。

在低速時(shí)代做電路設(shè)計(jì)使用的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)不足以用在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)上，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)失效，急需補(bǔ)充新的知識(shí)，采用新的分析方法，這種新的知識(shí)就是信號(hào)完整性知識(shí)，新的分析方法就是借助于仿真工具完成電路和PCB的設(shè)計(jì)。因此學(xué)會(huì)仿真已經(jīng)成為掌握信號(hào)完整性必不可少的一步。

那么如何學(xué)好信號(hào)完整性？如何掌握信號(hào)完整性的仿真成為擺在工程師前面的一道疑問。

在學(xué)習(xí)信號(hào)完整性的過(guò)程當(dāng)中，相信大家普遍遇到的一個(gè)困惑就是涉及的概念太多了，如傳輸線效應(yīng)、特征阻抗、S參數(shù)、差分線的奇模阻抗、偶模阻抗、差分與共模、抖動(dòng)與噪聲等等紛繁復(fù)雜，真不知道如何下手？光這些概念就夠難理解的了，更別說(shuō)要去設(shè)計(jì)和解決問題了

從我個(gè)人的學(xué)習(xí)經(jīng)歷來(lái)說(shuō)，之所以覺得復(fù)雜，一是因?yàn)橄嚓P(guān)書籍較少，尤其是經(jīng)典書籍，能夠把概念講清楚說(shuō)明白的人就更少了。當(dāng)然，仍然有一些經(jīng)典的書籍是寫的非常棒的，比如Eric大師的《信號(hào)與電源完整性》。

但是緊緊憑著看書要把信號(hào)完整性這么課程學(xué)好是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須學(xué)會(huì)至少一門仿真工具。借助于仿真工具去理解這些概念將變的更加容易。但是學(xué)習(xí)仿真工具本身又是一個(gè)挑戰(zhàn)。

很多時(shí)候，一個(gè)很簡(jiǎn)單的設(shè)置，靠自己摸索需要很長(zhǎng)時(shí)間，但是如果有人給你指點(diǎn)一下，那就非常快。

其次，學(xué)好信號(hào)完整性除了書籍、仿真工具以外，還需要通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)踐，把這些概念運(yùn)用于你的實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和調(diào)試中，通過(guò)一個(gè)一個(gè)的問題的解決，增加工程實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，才能真正理解信號(hào)完整性的含義，如果沒有實(shí)踐機(jī)會(huì)，參考別人的案例分享也是有必要的。

第三，另一個(gè)容易被忽視的地方，就是學(xué)習(xí)的方法和圈子，工作的方式和思想。在我的工作經(jīng)歷當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)很多工程師在做事的方式上，學(xué)習(xí)的方法上，看待事情的思想上是存在問題的，更重要的是沒有人能夠指導(dǎo)他，指出他的問題所在，這才是最致命的。

我跟很多工程師交流，他們跟我說(shuō)的就是，以前別人沒這么跟他說(shuō)過(guò)，他究竟該怎么學(xué)習(xí)，該怎么做事，他自己也不知道，我常聽到的一句話是：“以前就是這么做的”。至于為什么要這么設(shè)計(jì)、是否可以變化那不是他考慮的問題。

其實(shí)一個(gè)人學(xué)習(xí)是很孤獨(dú)的，進(jìn)展也非常的慢，再加上本身課程知識(shí)的難度，大家就會(huì)覺得入門很難。這也是為什么微信上會(huì)有那么多的公眾號(hào)出現(xiàn)。學(xué)習(xí)最快的方式就是有人帶領(lǐng)和指導(dǎo)。能把概念講清楚說(shuō)明白，讓人一聽就懂，這樣的學(xué)習(xí)才是效率最高的。

而現(xiàn)實(shí)的情況是，這樣的人很難找，得看緣分，如果你所在的平臺(tái)高手云集，那么你的進(jìn)步就會(huì)很快，但并不是所有的公司都是高手云集的，而且有些高手是愿意分享的，有些高手是不太愿意講的，因此對(duì)于大多數(shù)工程師來(lái)講，這是可遇不可求的。

審核編輯 ：李倩