信號(hào)完整性基本概念
“有兩種電子工程師，一種是已經(jīng)遇到了信號(hào)完整性問(wèn)題，另一種即將遇到信號(hào)完整性問(wèn)題”這句某位SI大師的名言已經(jīng)說(shuō)明了SI在現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的重要性，但是對(duì)于"什么才是信號(hào)完整性“，"何時(shí)應(yīng)該考慮信號(hào)完整性"，這類問(wèn)題，還是很難回答，（大師的回答一般都是It's Depends ），Baidu?了一下，答案也是各種各樣，基本上為以下幾種：
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1.?凡是頻率大于50MHZ的信號(hào)(也有說(shuō)30MHz),?就是高速信號(hào)。
2.?當(dāng)信號(hào)上升沿(或者下降沿)時(shí)間小于50ps時(shí)，就認(rèn)為是高速信號(hào)。
3.?當(dāng)信號(hào)所在的傳輸路徑長(zhǎng)度大于1/6倍傳輸信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)被認(rèn)為是高速信號(hào)。
4.?當(dāng)信號(hào)沿著傳輸路徑傳輸，發(fā)生了嚴(yán)重的趨附效應(yīng)時(shí)，被認(rèn)為是高速信號(hào)。
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? ? ? 上面幾種說(shuō)法似乎都對(duì)，但是當(dāng)工程師面對(duì)實(shí)際比較復(fù)雜的問(wèn)題時(shí)，還是感覺(jué)一頭霧水，不知所云，在我看來(lái)，狹義的信號(hào)完整性所研究的是信號(hào)通過(guò)傳輸線以后可以在接收端接收到不失真的信號(hào)，所以反推回來(lái)，只要信號(hào)畸變到無(wú)法容忍的程度，就需要考慮信號(hào)完整性，也就是說(shuō)，在信號(hào)測(cè)試中，如果某一項(xiàng)指標(biāo)不能滿足相關(guān)規(guī)范要求，就需要考慮信號(hào)完整性，比如下圖信號(hào)ringback超過(guò)了Vih?的?Spec,?我們就要考慮是不是出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題了。

? ? ? ?然而在實(shí)際的工程中，這個(gè)問(wèn)題要復(fù)雜的多，還是要具體問(wèn)題具體分析，比如說(shuō)波形畸變多大，會(huì)對(duì)電路板功能產(chǎn)生影響，有時(shí)候并沒(méi)有統(tǒng)一的指標(biāo)，和具體應(yīng)用以及芯片，電路板的其他電氣指標(biāo)有關(guān)，對(duì)于數(shù)字信號(hào)而言，對(duì)畸變的容忍度較大。比如幅度是3.3V的信號(hào)就比1V?的信號(hào)容忍度大，在具體一點(diǎn)，能有多大的容忍度，還要考慮電路板上的電源系統(tǒng)供電電壓波紋有多大，系統(tǒng)的噪聲余量有多大，所用器件對(duì)于信號(hào)建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求是多少等等。
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? ? ??這個(gè)問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)答案依然是"Depends"，也就是說(shuō)，要具體問(wèn)題具體分析，但是從設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，除了最顯而易見(jiàn)測(cè)試結(jié)果不能滿足規(guī)范以外，我們可以歸納出一些比較典型的現(xiàn)象：
?1.設(shè)計(jì)只能間斷性的工作，并且常常找不到明顯的原因。
?2.設(shè)計(jì)原本能可靠工作，但在隨后下列動(dòng)作之后又不能常常工作：
--無(wú)緣無(wú)故
--在更換IC，DDR等供應(yīng)商后
--在更換PCB等設(shè)備制造廠家后
--環(huán)境溫度或濕度變化之后
?3.同批次生產(chǎn)的產(chǎn)品，有些可以正常工作，有些不可以正常工作
?4.設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室可以正常工作，但是在現(xiàn)場(chǎng)只能間斷性工作
?.……
綜合來(lái)說(shuō)，信號(hào)完整性在很大程度上決定了系統(tǒng)的可靠性，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品的過(guò)程中，對(duì)于各項(xiàng)性能指標(biāo)都留有相應(yīng)裕量，也就說(shuō)常說(shuō)的Margin。但做為一名SI工程師，我必須強(qiáng)調(diào)一下，以上現(xiàn)象僅僅是有可能由SI問(wèn)題引起，然而在多年的工程應(yīng)用中，大部分類似的問(wèn)題都不是SI問(wèn)題引起的，把SI工程師折騰了半死，往往最后是通過(guò)更改某一個(gè)寄存器值解決了問(wèn)題（軟件工程師不要打我，哈哈），當(dāng)然，面對(duì)實(shí)際的問(wèn)題，我們必須提高警惕，從各個(gè)方面去考慮問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，這才是真正的生存之道。
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當(dāng)我們知道應(yīng)該考慮信號(hào)完整性以后，在來(lái)看看什么是信號(hào)完整性，現(xiàn)在信號(hào)完整性在電子設(shè)計(jì)中的地位越來(lái)越重要，似乎如果你是一個(gè)電子工程師，你的項(xiàng)目中不談信號(hào)完整性，你都不好意思和人家打招呼。
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籠統(tǒng)的講，信號(hào)完整性SI (Signal Integrity)是指信號(hào)在信號(hào)傳輸線上的質(zhì)量，在要求的時(shí)間內(nèi)，信號(hào)能不失真地從源端傳送到接收端，我們就認(rèn)為信號(hào)是完整的。如果每個(gè)信號(hào)都是完整的，那么由這些完整的信號(hào)組成的系統(tǒng)，也同樣具有很好的完整性。
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下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，一個(gè)方波信號(hào)在經(jīng)過(guò)了3 inch?的傳輸線后，在接收端看到的是一個(gè)具有振鈴的信號(hào)(黃色的信號(hào)),?當(dāng)然，并不能說(shuō)明這個(gè)信號(hào)是有問(wèn)題的信號(hào)，這個(gè)例子只是說(shuō)明，在經(jīng)過(guò)了一段傳輸線后，原來(lái)的信號(hào)其實(shí)已經(jīng)變了，或許已經(jīng)變成了我們不認(rèn)識(shí)的另外一個(gè)信號(hào)了?。 繼續(xù)分析上面的波形，假設(shè)這是一個(gè)受反射影響的方波數(shù)字信號(hào)(黃色信號(hào))，波形的畸變僅僅是反射的結(jié)果，沒(méi)有迭加其他噪聲。假設(shè)低電平邏輯小于0.7V，高電平大于2V。對(duì)于高電平來(lái)說(shuō)，震蕩的低谷部分可能會(huì)沖到2V以下，此時(shí)電路處于不定態(tài)，可能引起電路誤動(dòng)作。所以，迭加在高電平上的波紋幅度不能太大。由于電路存在噪聲，電源也有波紋，這些最終都會(huì)迭加到信號(hào)波形上，所以計(jì)算波紋幅度的時(shí)候要考慮這些因素，而這些因素和你的電路板其他部分設(shè)計(jì)有關(guān)。所以大部分時(shí)候，我們無(wú)法確定一個(gè)統(tǒng)一的畸變標(biāo)準(zhǔn)，只能根據(jù)具體電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用綜合考慮。最終的原則只有一個(gè)：通過(guò)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)、電源完整完整性設(shè)計(jì)等手段，將總的信號(hào)畸變控制在一定范圍內(nèi)，保證電路板正常穩(wěn)定工作。
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所以說(shuō)，廣義的信號(hào)完整性是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，一個(gè)信號(hào)的問(wèn)題可能涉及到信號(hào)完整性，電源完整性，電磁完整性等問(wèn)題，對(duì)于一些負(fù)責(zé)任的部門(mén)和公司來(lái)說(shuō)，SI,PI和EMI協(xié)同設(shè)計(jì)是當(dāng)今高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最有效途徑。
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Eric博士在他的著作《Signal Integrity - Simplified》里面，說(shuō)到所有的信號(hào)完整性問(wèn)題可以分為四類：
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?1.?Single Trace Signal Integrity:?單根傳輸線的信號(hào)完整性問(wèn)題
?2.?Crosstalk:相鄰傳輸線之間的信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題
?3. PI Related:與電源和地分布相關(guān)的問(wèn)題
?4.?EMI:電磁干擾和污染問(wèn)題
?5. Timing:時(shí)序分析

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這五類解決方案是按照層次逐級(jí)遞進(jìn)的。也就是說(shuō)，在實(shí)施信號(hào)完整性解決方案時(shí)，要按照上述的分類順序依次解決好問(wèn)題，然后在解決下一個(gè)層次的問(wèn)題，顯然，Eric博士的觀點(diǎn)涉及的其實(shí)已經(jīng)是廣義的信號(hào)完整性了，它融合SI,PI,EMI為一體。在實(shí)際應(yīng)用中，影響信號(hào)質(zhì)量的因素非常多，這些因素往往又互相影響，抑制了某一因素的影響可能又導(dǎo)致了其他方面的惡化，而很多公司，SI,PI,EMI又經(jīng)常由不同的工程師負(fù)責(zé)，這個(gè)時(shí)候就要協(xié)同合作，對(duì)各種因素反復(fù)權(quán)衡，從整個(gè)系統(tǒng)的角度綜合考慮，做出相對(duì)完美的產(chǎn)品。
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在所有的工作歷程中，最接受不了的是出現(xiàn)任何問(wèn)題，不做任何思考便直接丟給SI工程師”這個(gè)問(wèn)題來(lái)仿真一下“，似乎仿真就是神丹妙藥，包治百病，雖然大部分時(shí)候我們都默默的去做了，可是還是忍不住抱怨一下，明明把電阻從0歐姆改成33歐姆就可以解決的問(wèn)題，仿真?zhèn)€大頭鬼啊。這里只是開(kāi)個(gè)玩笑，不過(guò)的卻有很多人認(rèn)為，SI設(shè)計(jì)就是SI仿真。產(chǎn)生這種想法的根本原因在于缺乏對(duì)SI設(shè)計(jì)的深入了解。
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SI設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)出滿足各種性能指標(biāo)，規(guī)范要求，可以可靠工作的產(chǎn)品，認(rèn)同了這個(gè)觀點(diǎn)，就可以理解仿真只是SI設(shè)計(jì)的一方方法或手段，而SI設(shè)計(jì)一定存在多種方法，比如參考芯片廠商的Design Guide,比如參考已經(jīng)經(jīng)過(guò)市場(chǎng)考驗(yàn)的同類型產(chǎn)品，比如應(yīng)用已經(jīng)掌握的各種SI知識(shí)，還有，最最重要的測(cè)試。
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仿真只是SI設(shè)計(jì)鏈路中的一環(huán)，SI仿真的意義在于降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，以及驗(yàn)證很多沒(méi)有辦法測(cè)試的信號(hào)。SI設(shè)計(jì)最重要的是對(duì)SI基礎(chǔ)理論的理解和掌握，在這個(gè)基礎(chǔ)上，判斷那些信號(hào)需要做仿真，如何做仿真，如何綜合多項(xiàng)仿真結(jié)果找出解決方案。記住，用理論知識(shí)去支配仿真工具，而不是被仿真工具所支配。
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