了解信号完整性的基本原理

随着支持人工智能 (AI) 的高性能数据中心的兴起，信号完整性 (SI) 变得至关重要，这样才能以更高的速度传输海量数据。为确保信号完整性，设计人员必须注意电路板布局并使用适当的导线和连接器，从而最大限度地减少反射、噪声和串扰。此外，还必须了解传输线、阻抗、回波损耗和共振等基本原理。

本文将介绍讨论信号完整性时使用的一些术语，以及设计人员需要考虑的问题，然后介绍 Amphenol 优异的电缆和连接器解决方案，说明这些解决方案如何确保设计成功。

传输线路

传输线由两根（有时是三根）长度不为零的导体组成，导体之间由电介质隔离（图 1）。电路元件之间的导体传输电信号，并将损耗或失真降至最低。常见的导体是铜等金属，这些金属材料具有高导电性、出色的传输性能和低功率损耗，而且成本相对较低。金是一种极佳的导体，但由于成本高昂，其使用仅限于对耐腐蚀性要求较高的应用，如连接器插针和插座。其他金属和合金也是针对特定应用或材料特性而开发的。

图 1：传输线由通过电介质隔离的导体组成。导体间的位置可以平行，也可以同心。（图片来源：Amphenol）

电介质是一种非导电材料，通过在导体的导电几何形状周围区域形成绝缘层来隔离导体。电介质的特性会影响相邻导体上的信号传输。

介电常数 (Dk) 和耗散因数 (Df) 是影响传输线的重要电介质特性。Dk 决定信号在线路上的传播速度。例如，Dk 较低的材料传播速度较高。Df 表示信号沿传输线传输时材料内部的能量损耗。Df 越小，信号衰减越小，高频信号尤其如此。

常见的电介质包括空气和各种塑料。典型的印刷电路板（PC 板）基材是一种称为阻燃剂 4 (FR-4) 的电介质，即一种浸渍了阻燃环氧树脂的玻璃纤维编织布的复合材料。

标准传输线配置包括同轴电缆、双绞线、PC 板带状线和 PC 板微带线。这两根导体分别为信号路径和返回路径。输电线上的电压是沿着线路在导体之间测量的，而电流则是通过任一导体测量的。

在 SI 方面，传输线是在两个导体之间传输横向电磁波 (TEM) 或准 TEM 波的分布式电气元件。这些波包含与其传播方向垂直的交变电场 (E) 和磁场 (H)（图 2）。

图 2：传输线利用交变式正交电磁场沿线路传播能量。(图片来源：Amphenol）

变化的电场产生变化的磁场，形成一系列交替转换，使 TEM 波沿着垂直于两个场的方向在传输线上传播。

电路元件之间的传输线连接可配置为单端或差分式连接（图 3）。

图 3：传输线既可配置为单端（不平衡），使用一根信号线和一根返回线或接地线；也可配置为差分式（平衡），使用两根互补信号线和一根接地线。（图片来源：Amphenol）

单端配置使用一条信号线和一条地线。信号并不完全相同，这种配置被视为不平衡传播模式。差分配置使用两条互补信号线和一条地线，通常独立运行。差分信号是平衡传播模式的一个例子，因为需要关注的信号是两个信号间的数学差值。

传输线阻抗

电阻抗是指电路对外加交流电压产生的电流的抵抗，单位为欧姆 (Ω)。阻抗是导体上每一点的电压与电流的复数比。

传输线必须能够控制其阻抗，以传输高速/高带宽信号，而不会因反射而导致信号质量下降。传输线路上各点的瞬时阻抗是恒定的，称为特性阻抗。印制线宽度、间距、长度以及印制线和接地平面之间的介电特性共同控制传输线路阻抗。

特性阻抗可以看作是波在长度远大于传播信号波长的线路上传播时所产生的能量传递阻力。

信号反射

如果信号通过传输线传播到负载，而负载的阻抗等于传输线的特性阻抗，则信号完全传递到负载。 如果负载阻抗与线路的特性阻抗不同，那么入射到负载上的部分能量就会反射回信号源。

反射电压 V_R 的幅值与入射电压 V_I 的幅值之比就是反射系数（图 4）。该比值取决于负载阻抗 (Z_L) 和传输线路的特性阻抗 (Z_C)。

图 4：反射系数取决于负载和传输线路的特性阻抗。(图片来源：Amphenol）

信号穿过介质阻抗不匹配的边界时会产生反射（图 5）。在每个界面处，反射系数决定反射的幅值和相位。接收器收到的信号是发射信号与延时反射信号之和。

图 5：传输信号因反射分量而失真，且时间延迟与反射路径的传播延迟成正比。(图片来源：Amphenol）

Z₂ 和 Z₃ 的结合处会将部分入射信号反射回发射器，而大部分入射能量则会继续射向接收器。 反射信号如在反向路径中遇到失配，部分能量会反射回接收器。信号边缘的反射极性取决于结合处的阻抗是增大还是减小。反射时间则取决于结合处之间的物理距离。从接收器看到的信号是传输信号和所有反射信号的总和。

请注意，由于存在反射，接收信号的顶部和底部电平并不均匀。如果反射幅值足够大，读取数据时就会出错。SI 的关键目标之一是减少异常反射。

回波损耗和插入损耗

传输线路在频域和时域中均进行了特征化。在频域中，反射是以回波损耗 (RL) 的形式测量的，单位为分贝 (dB)（图 6）。未能到达负载的入射功率部分用插入损耗 (IL) 表示，单位也是 dB。插入损耗越低，连接性能越好。

图 6：回波损耗测量的是频域中的反射功率，而插入损耗测量的是负载接收到的功率。(图片来源：Art Pini）

用于描述散装同轴电缆上的插入损耗的参数是单位长度上的衰减，以分贝/英尺 (dB/ft) 或分贝/米 (dB/m) 为单位。

噪声

噪声是出现在传输线上的所有不想要的信号。反射可被视为一种噪声，会破坏接收到的信号。非传输线路上的噪声可能作为假信号被接收。

噪声有多种来源，例如热噪声、影响传输线路的外部辐射以及来自同一设备内另一条线路的噪声（串扰）。这些源头的能量会添加到传输线路中的信号上。噪声的特征化参数是信噪比 (SNR)，即传输线上信号功率与噪声功率之比。信噪比越高，信号质量越好。

串扰

串扰是一种由相邻线路的电磁 (EM) 场相互作用而出现在传输线路上，但未直接接触的一种噪声。串扰是并不希望出现的噪声的子类别。串扰是由攻击者（载波）线路和受害者（接收器）线路之间的线对线电容耦合或线对线电感耦合引起的（图 7）。

图 7：电压变化的容性耦合或电流变化的感性耦合可导致从攻击者到受害传输线上出现串扰。(图片来源：Amphenol）

串扰根据受害者经受到耦合噪声的位置进行标注。近端串扰 (NEXT) 出现在传输线或被测设备 (DUT) 的发射端，而远端串扰 (FEXT) 则出现在接收端。

为了减少串扰，可采取以下措施：增加相邻传输线之间的距离、减小路径长度、使用差分线路以消除两条线的共同噪声、保持相邻电路板层上的印制线垂直，以及采用整体接地和电磁干扰 (EMI) 屏蔽层。

谐振

当信号路径是四分之一信号波长的倍数时会发生谐振。在这些点上，反射信号与入射波形成重叠，会放大或衰减传输信号。与这些波长相对应的频率称为谐振频率。

谐振会造成噪声或信号失真，产生的原因是信号路径中的未端接的传输线部分（也称残桩）或非理想的接地回波。图 8 显示了在一个每秒 12 千兆比特 (Gbps) 的信道上，两种长度的不同残桩所产生的谐振效应。

图 8：所示为 12 Gbps 信道上两种长度的传输线残桩所产生的谐振效应。(图片来源：Amphenol）

用红色方框标出的残桩长度为 0.25 英寸(in.)，谐振频率约为 6 千兆赫（GHz）。绿色复选框下的三个短残桩的长度为 0.025 in.。这些残桩的谐振频率增大了 10 倍，即 60 GHz。左上角的频谱分析图给出了两种频谱响应曲线。红色频谱是 0.25 in. 残桩的响应，绿色迹线则是 0.025 in. 残桩的响应；0.25 in. 残桩显示了以 6 GHz 为中心的“吸出”响应，且振幅较低。

右上眼图重叠了 011、001、100 和 110 的多比特序列，以生成 SI 图形化测量值。只要保持眼睛睁开，传输就成功了。垂直闭眼是由于噪声、反射和串扰造成的。水平闭眼与抖动等定时问题有关。由于信号幅值缺失，6 GHz 谐振会导致眼图塌陷。

互联组件规格中的 SI

在数据中心中支持 AI 处理器的互连组件包括同轴和双绞线电缆、连接器和电路板（图 9）。这些组件通常以特性阻抗和带宽来指定。SI 规格包括衰减、速度因子、回波损耗、插入损耗和串扰。

图 9：要支持数据中心中的 AI 处理器，就需要采用高速电缆和连接器，以确保各组件之间准确可靠的通信。(图片来源：Amphenol）

Times Microwave Systems 的 LMR-400-ULTRAFLEX50 Ω 低损耗电缆就是一种同轴电缆，额定频率为 6 GHz，可室内外使用。其频率衰减为 900 MHz 时 0.05 dB/ft，5.8 GHz 时增大至 0.13 dB/ft。这种同轴电缆的传播速度（处理反射时使用的规格）是光速的 80%，即速度系数为 0.8。反射和传输损耗由电缆自身长度决定，散装电缆规格中没有给出。

对连接器等组件的规定有所不同。Amphenol Communications Solutions 的 10128419-101LF 是 112 位公头连接器，可用于背板。这种连接器可处理最大比特率为 25 Gbps 至 56 Gbps 的数字信号，且触头的特性阻抗为 92 Ω。这是一种多触头连接器，插入损耗和串扰规格至关重要（图 10）。

图 10：10128419-101LF 接头的重要插入损耗和串扰规格与频率的函数关系。(图片来源：Amphenol）

这些是与互连组件相关的典型 SI 规格。

结语

在 AI 数据中心等高速系统的整个设计过程中，必须考虑 SI。影响 SI 的因素很多，设计人员必须考虑到所有这些因素，以减轻其影响。通过正确的电路板印制线布局以及适当的导线和连接器，可以最大限度地提高 SI。