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[摘 要]随着电子技术的快速发展，PCB上互连线的数据传输速率越来越高，数据的有效采样窗口不断变小，导致任何微小信号畸变均会影响系统的功能和稳定性。本文对高速PCB上常见的单端耦合互连间的串扰以及串扰引起的抖动机理进行了研究，设计了一种信号恢复电路，从噪声幅度上改善了串扰的影响。从接收信号中分离出偶模电压分量和奇模电压分量，并对这两个电压分量进行处理后重新合成新的信号。仿真实验表明，该电路运行使串扰幅度降低，提高了系统的稳定性，对消除串扰有效。本研究方法为研究串扰提出了新的设计思路，具有工程应用价值。
[关键词]信号完整性；串扰；单端耦合；奇模；
中图分类号：TN62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）43-0293-02
电子系统向着高速度、高密度、低功耗发展，信号完整性问题是成为制约电子系统高性能高、可靠性的一个重要因素。在高速PCB中，无论是单端还是差分传输线，信号之间的串扰越来越严重，串扰是重要的信号完整性问题之一。本文针对高速差分互连间的串扰进行了研究，首先，对单端耦合互连和差分对耦合互连系统中串扰引起抖动的机理进行简要分析。在此基础上，提出一种简便的无源电路消除串扰的设计方法，直接从接收信号中分离出奇模分量和偶模分量，再对这两个分量进行处理消除不同传播模态间的传播延时，最后再合成新的信号。仿真实验验证了这些方法的有效性。
1 串扰形成的机理
串扰是由传输线的电容耦合和电感耦合造成的，受到驱动信号开关模式的影响，电磁场以特定的方式相互作用，使传输线上的有效寄生电感和电容发生变化，传输线的特性阻抗和传播时延也随之而改变。对于差分传输线，不但具有传输线与返回路径的耦合电容和耦合电感，线间的耦合是差分传输线的重要特性。
奇模和偶模可以用来描述传输线上的信号。任意信号的奇模分量指的是两信号线间的电压差，偶模分量指的是两信号线间的电压的平均值。奇模电压分量和偶模电压分量在传输过程中相互独立、互补干扰。在微带线中，对电力线来说，介电常数是一个复合值，它一部分处于介质材料中，一部分处于空气中。场分布的精确模式和覆盖介质材料的方式都将会影响最终的有效介电常数和信号的实际传播速度。在奇模方式下，多数电力线位于空气中；在偶模方式下，多数电力线处于材料中。由于这个原因，奇模信号比偶模信号有一个稍小的介电常数，因此传输更快。
2 信号恢复电路设计原理与实现
任意施加在耦合互连线上的两个激励（us1，us2），都可以用偶模电压分量（use）和奇模电压分量（uso）的组合来描述，即
一个单端耦合互连系统中，可以分解成两个相互独立的子系统，这两个子系统的激励信号分别为式（1）中的偶模电压分量和奇模电压分量。在上节中，我们知道，对单端耦合互连系统，奇模电压分量的傳播时延小于偶模电压分量的传播时延。故而，我们可以将这两种耦合系统放在一起来统一分析。
因为互连线系统是线性的，所以接收信号是偶模和奇模激励的响应之合成。设偶模信号分量（use）和奇模信号分量（uso）在接收端的响应信号分别为ue（t）和uo（t）。则两个接收信号u1（t）和u2（t）可以表示为：
接收信号是偶模分量和奇模分量的响应之合成。反过来，也可以从接收信号中分离出奇模和偶模信号的响应：
设奇模与偶模信号的传播时延差为ΔTD，则将奇模分量响应延迟后重新合成信号：
式（4）中，前半部分为分解接收信号得到的偶模分量响应，后半部分为经过延迟的奇模分量响应。
根据式（4），得到图1所示的差分耦合互连的信号恢复电路设计框图。对于单端的耦合互连，则选通2和3路信号。对于极性对称型耦合差分对，同单端互连一样，选通2和3路信号；对于极性顺序型耦合差分对，则选通1和4路信号。
3 电路仿真与结果分析
根据电路原理图，设计实际的信号恢复仿真电路如图2所示，信号通路对应于图1中的第2路和第3路。图中，两个压控电压源实现的是差运算，两个流控电压源实现的是和运算。
通过调整微带线的耦合程度，以及阻抗的匹配情况，电路中各元件的参数与图2中的参数一致，信号源1（Sin1）加周期为10Gbps，上升先将时间分别为10psec的“101010”序列；信号源2（Sin2）周期序列为“000000”。
经传输线后，信号波形的串扰表现为椭圆中的突起。
信号经恢复电路，调节恢复电路中的延时单元的参数，得到恢复的信号波形Vout（V1- V2，电压信号的标记在图2已标出），信号质量得到了明显的改善。
4 总结
以上通过分析在微带线中串扰形成的机理，以奇模和偶模分量分开处理的方式，恢复传输线中的串扰信号。经理论推导和仿真波形对比，该方法实现了消除串扰的功能。基于此，为在实际应用中减少互联线间串扰提供了新的思考方法，具有工程应用价值。
参考文献
[1]李丽平，李玉山.高速串行互连中的抖动分析[D].西安：西安电子科技大学博士学位论文，2009.
[2] Eric Bogatin，信号完整性分析[M].李玉山等，译.北京：电子工业出版社，2005.
[3]李鹏，高速系统设计—抖动、噪声和信号完整性[M].李玉山等，译.北京：电子工业出版社，2009.
作者简介
叶恒（1988-），男（汉），安徽省太湖县人，助理工程师，硕士，主要研究方向为星载数据处理技术、[email protected]；
[关键词]信号完整性；串扰；单端耦合；奇模；
中图分类号：TN62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）43-0293-02
电子系统向着高速度、高密度、低功耗发展，信号完整性问题是成为制约电子系统高性能高、可靠性的一个重要因素。在高速PCB中，无论是单端还是差分传输线，信号之间的串扰越来越严重，串扰是重要的信号完整性问题之一。本文针对高速差分互连间的串扰进行了研究，首先，对单端耦合互连和差分对耦合互连系统中串扰引起抖动的机理进行简要分析。在此基础上，提出一种简便的无源电路消除串扰的设计方法，直接从接收信号中分离出奇模分量和偶模分量，再对这两个分量进行处理消除不同传播模态间的传播延时，最后再合成新的信号。仿真实验验证了这些方法的有效性。
1 串扰形成的机理
串扰是由传输线的电容耦合和电感耦合造成的，受到驱动信号开关模式的影响，电磁场以特定的方式相互作用，使传输线上的有效寄生电感和电容发生变化，传输线的特性阻抗和传播时延也随之而改变。对于差分传输线，不但具有传输线与返回路径的耦合电容和耦合电感，线间的耦合是差分传输线的重要特性。
奇模和偶模可以用来描述传输线上的信号。任意信号的奇模分量指的是两信号线间的电压差，偶模分量指的是两信号线间的电压的平均值。奇模电压分量和偶模电压分量在传输过程中相互独立、互补干扰。在微带线中，对电力线来说，介电常数是一个复合值，它一部分处于介质材料中，一部分处于空气中。场分布的精确模式和覆盖介质材料的方式都将会影响最终的有效介电常数和信号的实际传播速度。在奇模方式下，多数电力线位于空气中；在偶模方式下，多数电力线处于材料中。由于这个原因，奇模信号比偶模信号有一个稍小的介电常数，因此传输更快。
2 信号恢复电路设计原理与实现
任意施加在耦合互连线上的两个激励（us1，us2），都可以用偶模电压分量（use）和奇模电压分量（uso）的组合来描述，即
一个单端耦合互连系统中，可以分解成两个相互独立的子系统，这两个子系统的激励信号分别为式（1）中的偶模电压分量和奇模电压分量。在上节中，我们知道，对单端耦合互连系统，奇模电压分量的傳播时延小于偶模电压分量的传播时延。故而，我们可以将这两种耦合系统放在一起来统一分析。
因为互连线系统是线性的，所以接收信号是偶模和奇模激励的响应之合成。设偶模信号分量（use）和奇模信号分量（uso）在接收端的响应信号分别为ue（t）和uo（t）。则两个接收信号u1（t）和u2（t）可以表示为：
接收信号是偶模分量和奇模分量的响应之合成。反过来，也可以从接收信号中分离出奇模和偶模信号的响应：
设奇模与偶模信号的传播时延差为ΔTD，则将奇模分量响应延迟后重新合成信号：
式（4）中，前半部分为分解接收信号得到的偶模分量响应，后半部分为经过延迟的奇模分量响应。
根据式（4），得到图1所示的差分耦合互连的信号恢复电路设计框图。对于单端的耦合互连，则选通2和3路信号。对于极性对称型耦合差分对，同单端互连一样，选通2和3路信号；对于极性顺序型耦合差分对，则选通1和4路信号。
3 电路仿真与结果分析
根据电路原理图，设计实际的信号恢复仿真电路如图2所示，信号通路对应于图1中的第2路和第3路。图中，两个压控电压源实现的是差运算，两个流控电压源实现的是和运算。
通过调整微带线的耦合程度，以及阻抗的匹配情况，电路中各元件的参数与图2中的参数一致，信号源1（Sin1）加周期为10Gbps，上升先将时间分别为10psec的“101010”序列；信号源2（Sin2）周期序列为“000000”。
经传输线后，信号波形的串扰表现为椭圆中的突起。
信号经恢复电路，调节恢复电路中的延时单元的参数，得到恢复的信号波形Vout（V1- V2，电压信号的标记在图2已标出），信号质量得到了明显的改善。
4 总结
以上通过分析在微带线中串扰形成的机理，以奇模和偶模分量分开处理的方式，恢复传输线中的串扰信号。经理论推导和仿真波形对比，该方法实现了消除串扰的功能。基于此，为在实际应用中减少互联线间串扰提供了新的思考方法，具有工程应用价值。
参考文献
[1]李丽平，李玉山.高速串行互连中的抖动分析[D].西安：西安电子科技大学博士学位论文，2009.
[2] Eric Bogatin，信号完整性分析[M].李玉山等，译.北京：电子工业出版社，2005.
[3]李鹏，高速系统设计—抖动、噪声和信号完整性[M].李玉山等，译.北京：电子工业出版社，2009.
作者简介
叶恒（1988-），男（汉），安徽省太湖县人，助理工程师，硕士，主要研究方向为星载数据处理技术、[email protected]；