什么是傳輸線？為什么傳輸線要測試差分訊號？

什么是傳輸線，什么是信號完整性分析，為什么傳輸線要測試差分訊號，經(jīng)常有人問小編這個問題，今天我們就逐項解惑。

何為傳輸線

傳輸線（Transmission Line）可以把能量從一端傳送到另一端。傳輸線的功能體現(xiàn)也是非常多樣化的，例如，PCB 上的走線、雙絞線、同軸電纜等等。傳輸線的結(jié)構(gòu)如下圖所示，可以看到信號路徑和參考路徑組成了傳輸線。

傳輸線的結(jié)構(gòu)示意圖

傳輸線上的電磁波按照傳輸?shù)哪Ｊ椒诸?，可以將其劃分成三種不同的波：

TEM 波：電磁場分別與電場和磁場在傳播方向是有一個垂直對應(yīng)關(guān)系。

TE 波：在傳播方向上的關(guān)系是，電場垂直于電磁場，僅存在磁場分量。

TM 波：在傳播方向上的關(guān)系是，磁場垂直于電磁波，僅存在電場分量。

根據(jù)不同的電磁波有不同的傳輸線主要有以下幾種：

橫電磁波傳輸線，如下圖所示

波導(dǎo)傳輸線，如下圖所示

表面波傳輸線，如下圖所示

無論傳輸線是什么形式，什么傳播方式，傳輸線要實現(xiàn)信號的傳輸必須滿足以下條件：

用較小的傳輸損耗并且要求較高的傳輸率；

為了加大傳送信息的容量并且可以使信號完整準確的傳輸，需要滿足較高的工作頻帶；如果大功率的情況時，就需要大的傳輸功率；

體積小，輕便，易加工以及易安裝。

何為高速差分訊號傳輸

隨著信號速率的提高，差分互連得到越來越多的應(yīng)用。實際上差分對是具有耦合的傳輸線，其主要用的是差分信號的特征，用差分對來實現(xiàn)。差分信號利用兩個輸出驅(qū)動來驅(qū)動兩條傳輸線。其中一根攜帶信號，另一根攜帶它的互補信號，兩條傳輸線上面的壓差就是需要傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

在差分信號的傳輸過程中，主要是以兩條傳輸線為傳輸載體，差分驅(qū)動器輸出的是邊緣能夠?qū)R的兩個信號，但是正好方向相反，如下圖所示。兩個高速信號分別傳輸，接收端在信號抵達接收器時對兩個信號作差分檢測，得到的差值就是差分信號。

差分訊號示意圖

在接收端，線 1 的電壓是V1，線 2 的電壓是V2 。通過放大器可以得到 1 和 2之間的壓差，由此可以恢復(fù)差分信號：

在上面的式子中，Vdiff —差分信號

V1 —線 1 相對于共用返回路徑的信號電壓

V2 —線 2 相對于共用返回路徑的信號電壓

除了差分信號，共模信號也是電路中存在的[40]，其可以用兩條線上的平均電 壓來表示，定義為：

在上面的式子中，Vcom—共模信號。

理想狀態(tài)，共模信號被認為是沒有變化的。共模信號由于不帶有信息，所以不影響信號完整性和系統(tǒng)性能。所以接收端要想準確的接收差分信號，必須要有共模抑制的功能。除此之外，在一定條件下，差分傳輸?shù)目垢蓴_能力好于單端信號

，差分和共模信號分量都是屬于高速信號，如下圖所示，差分信號在-0.25 到 +0.25 之間。因此傳輸線上的差分信號電壓就是 0.5V。

差分信號分量以及共模信號分量

差分傳輸之所以能夠抗干擾，這是因為對兩個單端信號進行差分檢測的時候，其噪聲有可能會抵消。只要外界對差分對中兩個單端信號上的干擾基本一致，就不會影響差分信號的傳輸。所以無論采取何種走線方式，關(guān)鍵是要控制兩條傳輸線周圍環(huán)境基本一致，并盡量減少其他信號干擾。

差分對

差分信號的傳輸需要一對傳輸線來實現(xiàn)，那么這對傳輸線又叫做差分對。能夠用單端傳輸線組成差分對的兩條傳輸線。

和單端傳輸線相類似，差分對傳輸有多種多樣的橫截面形狀。下圖我們列舉了最常見的幾種截面幾何外形。

影響信號完整性的因素

有很多方面的因素都會影響信號的完整性。就像信號的上升時間縮短、不同的信號通道之間時延不一樣、頻率發(fā)生變化、互聯(lián)通道沒有達到理想狀態(tài)以及外部環(huán)境發(fā)生變化等都會影響信號完整性。然而本質(zhì)原因，是因為信號的上升時間縮短。這樣的話，隨著上升時間越來越短，傳輸信號中不可避免的就會產(chǎn)生更多的高頻分量，由于高頻分量與通道之間會產(chǎn)生相互影響，這樣就有可能給信號帶來許多不可預(yù)知的畸變。

幾乎全部的信號完整性問題能夠分成下面 3 種問題的影響：時序、噪聲、電磁干擾。

在時序內(nèi)對信號完整性進行研究其實就是一個比較復(fù)雜的領(lǐng)域。一個時鐘內(nèi)，肯定會發(fā)生一定量的操作，所以需要在時間預(yù)算中劃分出一小段時間并把這些時間分配給各種不同的操作。雖然時序是影響信號完整性的一個因素，但是我們一般主要是對噪聲部分的問題進行的研究。

噪聲部分又可以分為阻抗不連續(xù)、耦合、串擾、反射、振鈴等等，這些因素之間還會相互影響相互制約，所以對信號完整性的研究是一個綜合平衡各種因素的過程。