信号的串扰介绍

信号串扰（Crosstalk）是指在信号传输过程中，一条信号线上的信号对相邻信号线产生的干扰，这种干扰是由于电磁场耦合或直接电容、电感耦合引起的。根据耦合类型和位置的不同，信号串扰主要分为以下几类：

1. 近端串扰（Near-End Crosstalk, NEXT）：发生在信号源端附近，一条信号线上的信号变化导致相邻信号线上感应出的干扰。

2. 远端串扰（Far-End Crosstalk, FEXT）：串扰信号在传输线的远端接收端表现出来，即一条信号线上的信号变化在另一条信号线的远端检测到的干扰。

3. 地弹（Ground Bounce）：由于多条信号线同时切换时，公共地线的阻抗导致地线电压变化，进而影响所有信号线。

度娘哪里能搜到不少算crosstalk的工具，通常它们只计算近端串扰（NEXT），没有计算远端串扰（FEXT），因为近端串扰NEXT是串扰的主要成分，本质上，串扰的产生是由于电信号在通过传输线时，产生的电场线穿过了相邻的传输线，而导致相邻的传输线上也产生了电信号，如上图所示，用网分测试的时候，差分 S 参数 Sdd31 表示近端串扰，Sdd41 表示远端串扰。Sdd31 定义为端口3(受害网络信号输入端)感应电压相对于端口1(入侵网络信号输入端)入射电压的增益比，而 Sdd41 定义为端口4(受害网络信号输出端)感应电压相对于端口1(入侵网络信号输入端)入射电压的增益比.

NEXT和FEXT的波形如【下图示】：红色波形，是NEXT，蓝色波形是FEXT.

NEXT近端串扰(Near End Cross-Talk)：串扰(NEXT/FEXT)会改变邻近线对中的传输信号波形，干扰邻近线对的正常传输，导致误码率上升甚至完全不能联网，串扰强度跟绞接率直接相关，绞接率越大，抵消干扰能力越强，串扰越小.平行线绞接率为零，串扰最大，当线间距很近，且并行走线距离很长的微带线的时候，只算NEXT会跟实际情况有差异，因为Stripline在远端由互容和互感产生的FEXT方向相反，大小一致，可以被抵消，而微带线则不能够完全被抵消，且互感产生的FEXT会随着线长而累加，因此走线越长，互感带来的FEXT越大，在ATE load board上，走线一般比较长，为了避免FEXT，在保证间距的同时，尽量不要平行走线.

好了，我们大概知道串音是个什么了，我们来一起看看它是怎么算的.

因为互容、互感，都是在驱动信号发生变化时（上升沿或下降沿）对Victim线产生影响的，所以我们首先要知道Victim线上，也就是crosstalk信号的上升沿的时间，以及这个上升沿的Spatial Extent是超过了还是小于传输线的耦合长度。当耦合的长度，放不下这个上升沿的时候，那么Crosstalk的幅度，会与传输线的长度成正比。当传输线的长度大于，Spatial Extent的时候，Crosstalk的幅度会达到一个固定值，如下图所示：

串音产生原理﹕

串音干扰可以从电容电感藕合角度去理解,也可以从差分信号和共 模信号分量角度去理解.

藕合角度描述：

当动态线上有信号通过时,在信号的上升延区域(即电压电流变化的区域).由于线对间的互感和互容的藕合作用，在静态线上将感应出电流,由于噪音电流在静态线上每个方向上感受到的阻抗都相同,所以前向和后向的电流量将相等. 其中一半向后流回到近端,产生近端串音;另一半向前流动到远程，产生远程串音.

按照理论公式太复杂，小编针对串音的通俗理解经验分享如下：管道裡的水向前流,过程中由于管道孔径或管道有凸起物等诸多因素让水流的速度发生有不稳定的现象,但是当到达终点接收端后,有个稳定的接收后,其输入的水流将达到一个稳定状态,但是在过程中仍有由于遇到障碍而往后流的水流向供水端,这段额外的阻止时间为延时TD,近端串音就是水流从不稳定额外的阻止时间并持续2*TD的时间.

当两条传输线靠近时，互容和互感将增加，从而使NEXT增加

近端串音：

当信号前沿传输了一个饱和长度后,近端的电流将达到一个稳定值.而当动态线上的信号到达远端端接电阻后,就不再有藕合噪音电流,但是静态线上还有后向电流流向静态线的近端,这段额外时间等于时延TD.近端串音就是藕合电流上升到一个恒定值并持续2*TD,然后下降到0,其中上升时间等于信号的上升时间.

远程串音：

藕合到静态线上前向传播的噪音,移动速度与动态线上的信号前沿向远端传播的速度相同.在静态线上的每一步,一半噪音电流会迭加在已经存在的沿线噪音上.直到信号前沿到达远端,才有电流出现.即信号达到远端时,远端噪音同时到达.因此远端噪音电流为一个很短的负向脉衝,持续时间等于信号的上升时间TD.近端和远端串音的特徵,决定了远端串音将在高频率段产生很大威胁,而近端串音则在中频率段影响较大.

从差分信号分量和共模信号分量角度描述:
 

近端串音：

差分信号分量和共模信号分量在差分对上所感受到的阻抗不同,这 一阻抗上的差异将导致,静态线产生近端串音.若阻抗上的这一差异越大则NEXT将越大.

远程串音：

 由于共模信号分量和差分信号分量电力线分佈不同,所感受到的有效介电系数不同,导致它们的传播速度不同.差分信号分量将先到达远端,而共模信号分量稍晚点到达远端.它们的差值将导致远程串音,若这一速度差异越大将导致远端串音能量越大,FEXT越大.

避免信号串扰的措施主要包括

•信号线间距增大：减小串音最根本最经济的途径是增加邻近线对间的距离,因此,设计不同的绞距（CAT5-6都有使用）,使不同线产生的噪音错位,可以削弱串音的叠加. 但此方法在高频段作用不大,反而会影响线间的延时差.因此,此方式适合中低频,而不适合高频段；反正最终的意思就是使它们儘量脱离藕合作用范围；减少相邻信号线间的耦合效应。但是实际制程上,这一方式受到线材结构,加工和客户要求的限制.在实际制程允许的情况下,儘量加大邻近线间的距离（如：CAT6的十字隔,排线等结构）.

•差分信号对使用：通过两条信号线在同一时间以相反极性传输，大大降低了它们之间的串扰。

•控制走线长度和方向一致：保持信号线长度接近，减少信号传输时间差异造成的干扰。

2. 屏蔽与隔离：（通过将屏蔽导体中产生感应电流（涡流）接地,吸收串音能量.没有被吸收的能量将在屏蔽导体和信号线间来回反射最终吸收.）

•屏蔽层：在多层PCB板中，可以使用地平面或金属屏蔽罩包裹信号层，减少不同层之间的串扰。

•屏蔽电缆：使用屏蔽双绞线或多对屏蔽电缆，内部信号线受到屏蔽层的保护，减少外来干扰和串扰。

 a.铝箔屏蔽：效果受重迭率的影响,通常需要达到25%以上.铝箔包的松与紧对屏蔽影响也很大.

包覆太松：易弯曲变形,产生空隙,导致电磁洩露,产生干扰;并使转移阻抗突变,引起反射和衰减问题;还会使差分信号分量和共模信号分量的传播速度差异加大,导致远端串音增加；

包覆太紧：容易拉断铝箔,影响生产;太紧会压伤发泡绝缘.引起电容突变.

 

 b.编织屏蔽：外层编织屏蔽效果受到遮蔽率影响,越高越好,但成本也会增. 

 

3. 信号速率控制与编码技术：

•降低信号速率可以减少信号上升沿和下降沿的速度，从而减弱其电磁辐射和感应能力。

•使用曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等可以降低串扰影响的编码方式。

4. 降低信号回流路径阻抗：

•确保信号的地回流路径尽量短且阻抗低，避免地弹效应引起的串扰。

通过以上措施，可以显著降低信号间的串扰，提高信号完整性和系统性能在设计高速数字电路和通信系统时，对抗串扰是一项必不可少的工作。