什么是信号完整性？又该如何学好信号完整性呢？

随着5G、大数据、云计算的新起，用户对网络带宽的需求越来越高。现在在部分发达地区运营商已经在部署，相应的光模块厂家在今年的10G PON系统的光模块发货也在逐渐增多。用于数据中心的400Gbps PAM4技术的光模块也开始陆续有厂家发货。在这些技术发展的背后，都是对带宽的需求，而大带宽的背后又是高速数字系统的发展在支撑。

像我们生活中常见的USB3.0、PCEI4.0、HDMI2.0、 SATA3.0等等接口都属于高速数字接口，这些接口当中最高的板级速率以达到32Gbps。其实不管怎么说，我们已经身处在一个高速数字的时代。随着技术的发展，信号传输的速率将会越来越高，通信速率正朝着400Gbps、800Gbps、1.6Tbps的方向发展。

因此我个人认为，目前的世界从技术上来说是属于高速数字的世界，未来将需要大量的懂高速电路设计的人才。

谈到高速电路设计，就不得不提起信号完整性，这是因为随着信号传输速率的提高，必然会遇到信号完整的问题，如果处理不好，将导致产品开发失败，重新投板的时间成本太高，产品就会错过上市期。

这跟传统的低速传输时代有很大区别，在低速时代使用的设计经验和技巧已经不再适用于高速电路的设计，需要新的知识理论和新的处理问题的方法。这种新的理论就是信号完整性理论，新的处理问题的方法就是仿真。

那么究竟什么是信号完整性？又该如何学好信号完整性呢？

一、什么是信号完整性

引用Eric Bogatin的书里对信号完整性的定义，可以表述为：“由有源器件和无源元件引起的所有电压和电流的异常现象，包括幅度上的噪声与干扰，时序上的抖动与错位等。”

如下图所示，就是典型的信号完整性问题，这是由于阻抗不匹配导致的幅度上的振铃现象。

图1

再如图2所示，也是典型的信号完整问题，这是由传输线的损耗导致的码间干扰问题，这将引起收端眼图的闭合，如图3

图2

图3

总的来说，对于产品设计工程师来说，信号完整性需要解决通道的阻抗匹配、以及 由通道的损耗导致的眼图闭合、通道间的相互串扰等问题，对于芯片设计工程师来说，需要解决的是如何将自家的芯片做成均衡能力强大、功耗又低的收发一体化集成方案，具有市场竞争优势是他们需要解决的。

对于高速数字系统来说，主要解决3个方面的问题，信号完整性（SI）、电源完整性（PI）以及电磁辐射问题（EMI）。这3大类问题有一定的关联性，很多时候解决好SI的问题其实也会解决EMI的问题，电源完整性问题解决好之后，相应的SI和EMI也会好。

二、如何学好信号完整性

学好信号完整性有两点非常重要，一是深刻理解信号完整性的基本原理，如传输线效应、回流等等，二是掌握一门仿真软件，如ADS/HFSS等。而这两点往往又是相对比较难学的两点，所以很多人会觉得信号完整性入门很难。

在低速时代做电路设计使用的经验已经不足以用在高速数字电路的设计上，传统的经验已经失效，急需补充新的知识，采用新的分析方法，这种新的知识就是信号完整性知识，新的分析方法就是借助于仿真工具完成电路和PCB的设计。因此学会仿真已经成为掌握信号完整性必不可少的一步。

那么如何学好信号完整性？如何掌握信号完整性的仿真成为摆在工程师前面的一道疑问。

在学习信号完整性的过程当中，相信大家普遍遇到的一个困惑就是涉及的概念太多了，如传输线效应、特征阻抗、S参数、差分线的奇模阻抗、偶模阻抗、差分与共模、抖动与噪声等等纷繁复杂，真不知道如何下手？光这些概念就够难理解的了，更别说要去设计和解决问题了

从我个人的学习经历来说，之所以觉得复杂，一是因为相关书籍较少，尤其是经典书籍，能够把概念讲清楚说明白的人就更少了。当然，仍然有一些经典的书籍是写的非常棒的，比如Eric大师的《信号与电源完整性》。

但是紧紧凭着看书要把信号完整性这么课程学好是远远不够的，还必须学会至少一门仿真工具。借助于仿真工具去理解这些概念将变的更加容易。但是学习仿真工具本身又是一个挑战。

很多时候，一个很简单的设置，靠自己摸索需要很长时间，但是如果有人给你指点一下，那就非常快。

其次，学好信号完整性除了书籍、仿真工具以外，还需要通过项目的实践，把这些概念运用于你的实际产品的设计和调试中，通过一个一个的问题的解决，增加工程实战经验，才能真正理解信号完整性的含义，如果没有实践机会，参考别人的案例分享也是有必要的。

第三，另一个容易被忽视的地方，就是学习的方法和圈子，工作的方式和思想。在我的工作经历当中，发现很多工程师在做事的方式上，学习的方法上，看待事情的思想上是存在问题的，更重要的是没有人能够指导他，指出他的问题所在，这才是最致命的。

我跟很多工程师交流，他们跟我说的就是，以前别人没这么跟他说过，他究竟该怎么学习，该怎么做事，他自己也不知道，我常听到的一句话是：“以前就是这么做的”。至于为什么要这么设计、是否可以变化那不是他考虑的问题。

其实一个人学习是很孤独的，进展也非常的慢，再加上本身课程知识的难度，大家就会觉得入门很难。这也是为什么微信上会有那么多的公众号出现。学习最快的方式就是有人带领和指导。能把概念讲清楚说明白，让人一听就懂，这样的学习才是效率最高的。

而现实的情况是，这样的人很难找，得看缘分，如果你所在的平台高手云集，那么你的进步就会很快，但并不是所有的公司都是高手云集的，而且有些高手是愿意分享的，有些高手是不太愿意讲的，因此对于大多数工程师来讲，这是可遇不可求的。

审核编辑 ：李倩