如今，各種便攜式計算設備都應用了密集的印刷電路板（PCB）設計，并使用了多個(gè)高速數字通信協(xié)議，例如 PCIe、USB 和 SATA，這些高速數字協(xié)議支持高達 Gb 的數據吞吐速率并具有數百毫伏的差分幅度。設計人員必須小心的規劃 PCB 的高速串行信號走線(xiàn)，以便盡可能減少線(xiàn)對間串擾，防止信道傳輸對數據造成破壞。

 

入侵(aggressor)信號與受害(victim)信號出現能量耦合時(shí)會(huì )產(chǎn)生串擾，表現為電場(chǎng)或磁場(chǎng)干擾。電場(chǎng)通過(guò)信號間的互電容耦合，磁場(chǎng)則通過(guò)互感耦合。

 

方程式（1）和（2）分別是入侵信號對受害信號的感應電壓和電流計算公式，方程式（3）和（4）分別是入侵信號和受害信號之間的互電容和互電感計算公式。

如方程式（1）、（2）、（3）和（4）所示，距離增加時(shí)，受害信號和入侵信號之間的電感和電容耦合降低。然而，由于必須滿(mǎn)足便攜計算設備設計緊湊的要求，PCB 的尺寸有限，增加線(xiàn)間空隙的難度很大。

 

微帶線(xiàn)收發(fā)交叉布線(xiàn)和帶狀線(xiàn)收發(fā)非交叉布線(xiàn)的方法可緩解串擾或耦合問(wèn)題。

當遠端串擾（FEXT）遠大于近端串擾（NEXT）時(shí)適用交叉模式。相反，當近端串擾遠大于遠端串擾時(shí)適用非交叉布線(xiàn)。近端串擾表示受害網(wǎng)絡(luò )鄰近入侵信號發(fā)射機而造成的串擾，遠端串擾表示受害網(wǎng)絡(luò )鄰近入侵信號接收機而造成的串擾。通過(guò)分析入侵信號和受害信號這兩個(gè)緊密耦合信號的 S 參數與瞬態(tài)響應，我們可以對比微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)的遠端串擾和近端串擾。

 

圖3 和圖4 分別是 ADS 中的 S 參數和瞬態(tài)分析仿真模型。圖3 中，100Ω差分阻抗和3 英寸長(cháng)的受害信號和入侵網(wǎng)絡(luò )信號線(xiàn)對的單模 S 參數通過(guò)數學(xué)方式轉變?yōu)椴罘帜Ｊ?。端? 和端口2 分別表示入侵信號對的輸入和輸出端口，而端口3 和端口4 分別表示受害網(wǎng)絡(luò )信號對的輸入和輸出端口。入侵信號和受害信號的線(xiàn)對間空隙設置為8 mil（1 倍布線(xiàn)寬度）。

 

圖 4 中，中間的傳輸線(xiàn)表示受害網(wǎng)絡(luò )信號對，傳輸線(xiàn)兩端均端接電阻。在受害網(wǎng)絡(luò )信號對上方和下方的傳輸線(xiàn)中分別注入具有 30ps 邊沿速率的方波，以作為入侵信號。

圖3：S 參數仿真模型(coupled pairs：耦合對)

圖4：瞬態(tài)分析仿真模型(coupled pairs：耦合對)

 

差分 S 參數 Sdd31 表示近端串擾，Sdd41 表示遠端串擾。Sdd31 定義為端口3（受害網(wǎng)絡(luò )信號輸入端）感應電壓相對于端口1（入侵網(wǎng)絡(luò )信號輸入端）入射電壓的增益比，而 Sdd41 定義為端口4（受害網(wǎng)絡(luò )信號輸出端）感應電壓相對于端口1（入侵網(wǎng)絡(luò )信號輸入端）入射電壓的增益比。

 

圖5 和圖6 是耦合微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)對的仿真 S 參數。圖5 顯示，Sdd31 低于 Sdd41，表明使用微帶線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)的 Sdd41 或遠端串擾增益高于 Sdd31 或近端串擾；圖6 顯示，使用帶狀線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)的 Sdd31 增益高于 Sdd41。

圖5：仿真微帶線(xiàn) Sdd31和 Sdd41(FEXT：遠端串擾；NEXT：近端串擾)

圖6：仿真帶狀線(xiàn) Sdd31和 Sdd41(FEXT：遠端串擾；NEXT：近端串擾)

 

圖7 和 圖8 分別是耦合微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)對的遠端串擾和近端串擾時(shí)域瞬態(tài)響應仿真。如圖7 所示，當入侵線(xiàn)信號瞬態(tài)上升或下降時(shí)，微帶線(xiàn)布線(xiàn)的受害線(xiàn)的遠端感應電壓峰值（0.3V）遠大于近端峰值（0.05V）；圖8帶狀線(xiàn)仿真顯示，受害信號線(xiàn)的遠端感應電壓峰值與近端相當（0.05V）。受害信號的誤觸發(fā)或感應峰值會(huì )增加接收機集成電路（IC）噪聲裕量超限幾率，進(jìn)而增加比特誤差率（BER）。

圖7：微帶線(xiàn)遠端串擾和近端串擾時(shí)域響應仿真（Waveform：波形；Aggressor：入侵信號）

圖8：帶狀線(xiàn)遠端串擾和近端串擾時(shí)域響應仿真（Waveform：波形；Aggressor：入侵信號）

 

為了盡可能降低緊密耦合線(xiàn)對之間的串擾，微帶線(xiàn)采用收發(fā)交叉布線(xiàn)而帶狀線(xiàn)應用收發(fā)非交叉布線(xiàn)是一個(gè)更好的選擇。

 

為了驗證仿真結果與實(shí)際測量的關(guān)聯(lián)性，我們需要制作原型 PCB。圖9 和 圖10 是耦合微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)的 S 參數測量結果。如圖9 所示，近端串擾低于遠端串擾；圖10 中，遠端串擾低于近端串擾。

圖9：微帶線(xiàn)的 S 參數測量結果

圖10：帶狀線(xiàn)的 S 參數測量結果

圖11 和 圖12 分別是耦合微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)對的遠端串擾和近端串擾時(shí)域瞬態(tài)響應測量結果。圖11 中，入侵線(xiàn)的信號瞬態(tài)上升或下降時(shí)，受害線(xiàn)的遠端感應電壓峰值（0.3V）遠大于近端峰值（0.1V）；圖12 中，受害線(xiàn)的遠端感應電壓峰值與近端峰值相當（0.1V）。

 

本文介紹了優(yōu)化信號布線(xiàn)以顯著(zhù)減少串擾的方法。S 參數和時(shí)域瞬態(tài)響應的分析結果顯示：采用微帶線(xiàn)收發(fā)交叉布線(xiàn)和帶狀線(xiàn)非交叉布線(xiàn)方案可以最大限度地減少串擾。要實(shí)現極高的數據速率，PCB 設計必須優(yōu)化信號布線(xiàn)，以確保卓越的信號質(zhì)量。