什么是传输线？为什么传输线要测试差分讯号？

什么是传输线，什么是信号完整性分析，为什么传输线要测试差分讯号，经常有人问小编这个问题，今天我们就逐项解惑。

何为传输线

传输线（Transmission Line）可以把能量从一端传送到另一端。传输线的功能体现也是非常多样化的，例如，PCB 上的走线、双绞线、同轴电缆等等。传输线的结构如下图所示，可以看到信号路径和参考路径组成了传输线。

传输线的结构示意图

传输线上的电磁波按照传输的模式分类，可以将其划分成三种不同的波：

TEM 波：电磁场分别与电场和磁场在传播方向是有一个垂直对应关系。

TE 波：在传播方向上的关系是，电场垂直于电磁场，仅存在磁场分量。

TM 波：在传播方向上的关系是，磁场垂直于电磁波，仅存在电场分量。

根据不同的电磁波有不同的传输线主要有以下几种：

横电磁波传输线，如下图所示

波导传输线，如下图所示

表面波传输线，如下图所示

无论传输线是什么形式，什么传播方式，传输线要实现信号的传输必须满足以下条件：

用较小的传输损耗并且要求较高的传输率；

为了加大传送信息的容量并且可以使信号完整准确的传输，需要满足较高的工作频带；如果大功率的情况时，就需要大的传输功率；

体积小，轻便，易加工以及易安装。

何为高速差分讯号传输

随着信号速率的提高，差分互连得到越来越多的应用。实际上差分对是具有耦合的传输线，其主要用的是差分信号的特征，用差分对来实现。差分信号利用两个输出驱动来驱动两条传输线。其中一根携带信号，另一根携带它的互补信号，两条传输线上面的压差就是需要传输的信息。

在差分信号的传输过程中，主要是以两条传输线为传输载体，差分驱动器输出的是边缘能够对齐的两个信号，但是正好方向相反，如下图所示。两个高速信号分别传输，接收端在信号抵达接收器时对两个信号作差分检测，得到的差值就是差分信号。

差分讯号示意图

在接收端，线 1 的电压是V1，线 2 的电压是V2 。通过放大器可以得到 1 和 2之间的压差，由此可以恢复差分信号：

在上面的式子中，Vdiff —差分信号

V1 —线 1 相对于共用返回路径的信号电压

V2 —线 2 相对于共用返回路径的信号电压

除了差分信号，共模信号也是电路中存在的[40]，其可以用两条线上的平均电 压来表示，定义为：

在上面的式子中，Vcom—共模信号。

理想状态，共模信号被认为是没有变化的。共模信号由于不带有信息，所以不影响信号完整性和系统性能。所以接收端要想准确的接收差分信号，必须要有共模抑制的功能。除此之外，在一定条件下，差分传输的抗干扰能力好于单端信号

，差分和共模信号分量都是属于高速信号，如下图所示，差分信号在-0.25 到 +0.25 之间。因此传输线上的差分信号电压就是 0.5V。

差分信号分量以及共模信号分量

差分传输之所以能够抗干扰，这是因为对两个单端信号进行差分检测的时候，其噪声有可能会抵消。只要外界对差分对中两个单端信号上的干扰基本一致，就不会影响差分信号的传输。所以无论采取何种走线方式，关键是要控制两条传输线周围环境基本一致，并尽量减少其他信号干扰。

差分对

差分信号的传输需要一对传输线来实现，那么这对传输线又叫做差分对。能够用单端传输线组成差分对的两条传输线。

和单端传输线相类似，差分对传输有多种多样的横截面形状。下图我们列举了最常见的几种截面几何外形。

影响信号完整性的因素

有很多方面的因素都会影响信号的完整性。就像信号的上升时间缩短、不同的信号通道之间时延不一样、频率发生变化、互联通道没有达到理想状态以及外部环境发生变化等都会影响信号完整性。然而本质原因，是因为信号的上升时间缩短。这样的话，随着上升时间越来越短，传输信号中不可避免的就会产生更多的高频分量，由于高频分量与通道之间会产生相互影响，这样就有可能给信号带来许多不可预知的畸变。

几乎全部的信号完整性问题能够分成下面 3 种问题的影响：时序、噪声、电磁干扰。

在时序内对信号完整性进行研究其实就是一个比较复杂的领域。一个时钟内，肯定会发生一定量的操作，所以需要在时间预算中划分出一小段时间并把这些时间分配给各种不同的操作。虽然时序是影响信号完整性的一个因素，但是我们一般主要是对噪声部分的问题进行的研究。

噪声部分又可以分为阻抗不连续、耦合、串扰、反射、振铃等等，这些因素之间还会相互影响相互制约，所以对信号完整性的研究是一个综合平衡各种因素的过程。

审核编辑：汤梓红