信号失真在您的PCB中：来源与解决方案

高速信号的长度匹配全是关于同步...

信号失真在许多关于信号完整性和电路分析的讨论中经常被简单提及。随着越来越多的网络产品开始以更高的速度运行并使用复杂的调制方案，你会发现信号失真成为导致比特错误率的严重问题。失真源被认为是阻碍电气互连中数据速率提高的主要瓶颈之一。

在模拟信号中也可以看到同样的问题，特别是那些以10的GHz频率运行的信号。更多的RF/无线领域的设计师将需要在设计、测试和测量过程中理解这些信号失真源。

线性与非线性信号失真

所有信号失真源都可以被分类为线性或非线性。它们在谐波产生方面有所不同。非线性失真源在信号通过源时产生谐波，而线性信号失真源不产生谐波。这两种失真源都可以改变构成信号的频率成分的幅度和相位。

不同的信号失真源会以不同的方式影响不同类型的信号（模拟或数字），这取决于失真源的带宽和特定信号中的频率内容。不同的信号失真源对调制信号的影响也不同，这取决于调制的类型。

显然，不同信号失真源的范围很广，我们无法详细介绍每一个源。然而，我们可以总结一些在你的PCB走线和组件中线性和非线性信号失真的重要来源。

线性信号失真源

• 频率响应和相位失真。如果你熟悉线性电路中的频率扫描仿真，那么你知道传递函数定义了信号在线性电路中的相位和幅度变化。电路、特定组件或互连的传递函数将应用一个相位移动，并将调整信号的幅度。这些相位和幅度的变化是频率的函数，并在波特图中可视化。这意味着不同频率成分被不同程度地延迟，这些不同频率成分被不同程度地放大或衰减。

• 不连续性。这一广泛的失真源类别包括沿着互连的阻抗不连续性（例如，过孔和走线几何）和材料属性的不连续性（例如，来自纤维编织效应）。

• 色散失真。这是由于PCB基板中的色散、导体和板中的任何其他材料引起的。这种失真源是不可避免的，尽管当互连长度较短时，它可能足够小以至于不被注意到。基板中的色散导致数字信号中的不同频率成分沿着走线以不同的速度传播。色散还影响信号在走线上看到的损耗正切，这有助于信号失真。这导致脉冲拉伸（即，群速度变得频率依赖），类似于没有色散补偿的超快激光器中发生的情况。

补偿PCB互连中的色散的一种解决方案是使用DSP算法，或使用具有交替正负群速度色散的分层基板编织，使得在相关频率范围内净色散为零。这个特定主题足够广泛，值得单独撰写一篇文章。请查看Signal Integrity Journal中的这篇精彩文章，以获得PCB走线中色散的完整讨论。

色散是导致棱镜分裂光线的同一效应

非线性信号失真源

• 非线性频率响应和相位失真。与线性情况相同，非线性电路可以根据频率和输入信号水平，对信号中的频率成分造成不同程度的失真。这种情况出现在放大器、铁氧体组件以及其他基于晶体管的设备达到饱和时。

• 互调失真。这种幅度失真（包括主动和被动类型）发生在两个频率成分输入非线性电路时。这在5G能力的设备中发生，因为用于载波聚合的两个信号相互干扰（被动互调失真）。它也出现在任何用于操纵调制信号的非线性组件中，例如在射频信号链中的功率放大器。

• 谐波失真。这是第二种类型的幅度失真。当信号输入到一个饱和的组件或电路时，就会发生这种情况。实际上，这导致一旦输入超过某个水平，信号的幅度就会趋于平稳（称为削波）。

模拟信号

谐波信号实际上对线性频率响应和相位失真免疫。例如，一个滤波器或被动放大器电路（如LC振荡器）会引起输入信号的相位移动和幅度变化，但不会产生额外的谐波。对于色散失真也是如此，因为信号只包含单一频率成分。不连续性可以在信号沿着互连线传播时扭曲信号，实际上在原始信号上叠加了幅度较低的信号副本。

所有非线性失真源都会在模拟信号中产生谐波。解决这些问题的唯一方法是在所有组件的线性范围内工作并执行阻抗匹配。组件制造缺陷，以及微带和带状线迹上的粗糙度，也是毫米波频率下非线性失真的原因。

数字信号

因为数字信号由多个频率成分组成，它们对频率响应和相位失真特别敏感。在线性情况下，这会导致不同频率成分被不同程度地延迟和衰减。结果是组件形状的变化。如果加入不连续性和色散，信号的部分可能会被延迟，有效地拉长信号。在阻抗不连续处发生信号反射的情况下，当两个不连续之间的距离超过信号的空间跨度时，这可能导致幽灵现象。这也可以在传输线上看到数字信号中众所周知的阶梯响应。

阻抗不连续性产生的信号反射可以产生幽灵现象。图片来源：wirelesswaffle.com

非线性信号失真源还会在数字信号中产生谐波，导致信号频谱和时间域中的独特变化。当信号输入到放大器的速度超过放大器能够响应的速度时，将在放大器的输出中看到互调失真。这种特定类型的信号失真称为由移相率引起的失真，因为它与输入信号的移相率有关。

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