學習訊號完整性的基礎知識

支援人工智慧 (AI) 的高效能資料中心興起，使得訊號完整性 (SI) 更加重要，以便能夠以更高的速率傳輸大量資料。為了確保訊號完整性，設計人員必須注意電路板佈局以及使用適當的導線和連接器，以達到最低的反射、雜訊、串音。此外，還必須瞭解傳輸線、阻抗值、回波損耗、諧振等基本原理。

本文介紹討論訊號完整性的相關術語，以及設計人員需考量的項目。接著，提出 Amphenol 的優質的纜線和連接器解決方案，展示如何協助設計成功。

傳輸線

傳輸線由兩條 (有時為三條) 長度不為零的導線組成，並以介電質隔開 (圖 1)。導線以最低損耗或失真，在電路元件之間傳遞電氣訊號。常見的導線為金屬 (如銅線)，其具有高導電性、優異的傳輸效能，以及低功率損耗，且成本相對較低。金是一種優良的導體，但由於成本較高，其用途僅限於需要高耐腐蝕性的應用，如連接器引腳和插槽。亦開發其他金屬和合金，可針對特定應用或材料特性。

圖 1：傳輸線由介電質分隔的導線組成，導線可以為平行的或同軸 (圖片來源：Amphenol)

介電質是非導電材料，用於分隔導線，將其導電幾何周圍的區域進行絕緣。介電質的特性會影響訊號在相鄰導線上的傳輸方式。

介電常數 (Dk) 和耗散因數 (Df) 是介電質的重要特性，會影響傳輸線。介電常數決定訊號在線路上的傳播速度。例如，介電常數較低的材料有較高的傳播速度。耗散因素代表訊號沿著傳輸線傳播時材料內的能量損失。耗散因素越低，代表訊號衰減越小，尤其是在高頻時。

空氣和各種塑膠是常見的介電質類型。典型的印刷電路板 (PCB) 基板是一種稱為阻燃 4 (FR-4) 的介電質，這是一種浸漬阻燃環氧樹脂的玻璃纖維編織布複合材料。

標準的傳輸線配置包括同軸纜線、雙絞線、印刷電路板帶狀線和印刷電路板微帶線。其中，兩條導線分別為訊號路徑和返回路徑。傳輸線上的電壓在沿線的導線之間量測，電流則是在任一導線上量測。

在訊號完整性中，傳輸線是一種分佈式電氣元件，在兩個導線之間承載橫向電磁 (TEM) 波或近橫向電磁 (quasi-TEM) 波。這些波包含垂直於波傳播方向的交流電場 (E) 和磁場 (H) (圖 2)。

圖 2：傳輸線使用交替的正交電場和磁場，沿著線路傳播能量 (圖片來源：Amphenol)

電場變化會使磁場產生變化，作為一系列交替的轉換，使橫向電磁波沿著傳輸線，以垂直於兩個場的方向傳播。

電路元件之間的傳輸線連接為單端或差動連接配置 (圖 3)。

圖 3：傳輸線可以配置為單端 (不平衡)，使用一條訊號線以及一條返回或接地線；也可以配置為差動 (平衡)，使用兩條互補訊號線和一條接地線 (圖片來源：Amphenol)

單端配置使用一條訊號線和一條接地線。其訊號不相同，並且配置視為不平衡傳播模式。差動配置使用兩條互補的訊號線和一條接地線，通常獨立運作。差動訊號是平衡傳播模式的範例之一，因為此訊號是兩個訊號元素之間的差值。

傳輸線阻抗

電氣阻抗是電路因施加交流電壓而對電流產生的阻力，以歐姆 (Ω) 為測量單位。阻抗是導線沿線上每一點，電壓與電流的複數比。

傳輸線必須控制其阻抗，以期在承載高速／高頻寬訊號時不會因反射造成衰減。線路中每一點的瞬時阻抗為恆定值，稱為特性阻抗。走線寬度、間距、長度，以及走線與接地層之間的介電特性，會控制傳輸線的阻抗。

特性阻抗可視為在比傳播訊號波長長許多的線路中，波傳播時相關能量受到的阻力。

訊號反射

如果訊號由傳輸線傳播到負載時，其阻抗等於線路特性阻抗，則訊號將可完整傳播至負載。如果負載阻抗與線路的特性阻抗不同，則入射到負載上的一些能量會反射回來源。

反射係數是指反射電壓 V_R 的振幅與入射電壓 V_I 的振幅之比值 (圖 4)。此值取決於負載阻抗 (Z_L) 和傳輸線的特性阻抗 (Z_C)。

圖 4：反射係數取決於負載和傳輸線的特性阻抗 (圖片來源：Amphenol)

訊號跨越的介質邊界具有不匹配阻抗，就會產生反射 (圖 5)。在每個介面，反射係數決定反射的振幅和相位。接收器側的訊號是發射訊號和延遲反射訊號之和。

圖 5：傳輸訊號會因為反射成分加上時間延遲造成失真，此時間延遲與反射路徑的傳播延遲成比例 (圖片來源：Amphenol)

Z₂ 和 Z₃ 的交界處將部分入射訊號反射回發射器，而大部分入射能量會繼續到達接收器。反射訊號在反向路徑中遭遇不匹配，並有部分反射回接收器。訊號邊緣的反射具有極性，此極性取決於接面上的阻抗是增或減。反射的時間取決於接面之間的實體距離。接收器包含傳輸訊號和所有反射訊號的總和。

請注意，由於增加反射，接收到的訊號有不均勻的頂部和底部。如果反射振幅夠大，讀取資料時可能會發生錯誤。資料完整性的關鍵目標之一是減少反射異常。

回波損耗和插入損耗

傳輸線在頻域和時域上都有其表徵。反射功率的測量為頻域中的回波損耗 (RL)，以分貝 (dB) 為單位 (圖 6)。未能到達負載的入射功率部分由插入損耗 (IL) 表徵，也以 dB 為單位測量。較低的插入損耗代表具有更佳連接。

圖 6：回波損耗測量頻域中的反射功率，而插入損耗測量負載處接收到的功率 (圖片來源：Art Pini)

描述大型同軸纜線插入損耗的參數是每單位長度的衰減，指定為每英尺分貝 (dB/ft)或每公尺分貝 (dB/m)。

雜訊

雜訊是指傳輸線上出現的任何不必要的訊號。反射可視為一種會破壞接收訊號的雜訊。非傳輸線路上的雜訊可能會被視為錯誤訊號。

雜訊來源很多，例如熱雜訊、傳輸線上的外部輻射，以及來自同一裝置內另一條線路的雜訊 (串音)。這些來源的能量會加入傳輸線上的訊號中。 雜訊的特性為訊噪比 (SNR)，即傳輸線上的訊號功率與雜訊功率之比。訊噪比越高，訊號品質越好。

串音

串音屬於一種不必要的雜訊，是與未直接接觸之相鄰線路的電磁 (EM) 場相互作用，出現在傳輸線上。串音是由入侵走線 (載波) 和受害走線 (接收器) 之間的線對線電容式或線對線電感式耦合所造成 (圖 7)。

圖 7：串音可能是由入侵走線到受害走線中，電壓變化的電容式耦合或電流變化的電感式耦合所引起 (圖片來源：Amphenol)

串音的標記依據受害走線耦合雜訊的位置。近端串音 (NEXT) 出現在傳輸線或被測裝置 (DUT) 的發射器側，而遠端串音 (FEXT) 則出現在接收器側。

透過增加相鄰傳輸線之間的距離、縮短路徑長度、使用消除兩條線路共同雜訊的差動線、保持相鄰印刷電路板層上的走線垂直，以及結合整體接地和電磁干擾 (EMI) 屏蔽可減少串音。

諧振

當訊號路徑是訊號波長四分之一的倍數時，就會發生諧振。在這些點上，反射訊號與入射波重疊，並放大或衰減傳輸訊號。與這些波長對應的頻率稱為諧振。

諧振可能會導致雜訊或訊號失真，產生的原因是由於訊號路徑中未端接的傳輸線 (稱為殘段) 或非理想接地迴路引起。圖 8 為 12 Gbps 通道上各種殘段在兩種不同長度時所造成的諧振效應。

圖 8：12 Gbps 通道上各種殘段在兩種不同長度時所造成的諧振效應範例 (圖片來源：Amphenol)

紅色框內的殘段的長度為 0.25 in，產生約 6 GHz 的諧振頻率。綠色勾選框下方的三個殘段長度為 0.025 in，其諧振頻率為高十倍 (60 GHz)。兩者的頻譜響應均顯示在左上角的頻譜分析器圖中。紅色光譜是 0.25 in 殘段的響應，綠色軌跡是 0.025 in 殘段的響應，0.25 in 殘段顯示以 6 GHz 為中心、幅度非常低的「吸出」響應。

右上角的眼圖與 011、001、100、110 的多位元序列重疊，產生圖形訊號完整性測量值。只要眼圖保持張開，傳輸就成功。雜訊、反射、串音會造成垂直眼圖閉合。水平眼圖閉合則與抖動等時序問題相關。6 GHz 諧振由於訊號振幅損失，導致眼圖塌陷。

互連組件的訊號完整性規範

支援資料中心人工智慧處理器的互連組件包括同軸和雙絞線纜線、連接器、印刷電路板 (圖 9)。這些組件通常根據特性阻抗和頻寬來識別。訊號完整性規格包括衰減、速度因數、回波損耗、插入損耗、串音。

圖 9：支援資料中心的人工智慧處理器需要高速纜線和連接器，以確保各元素之間進行準確、可靠的通訊 (圖片來源：Amphenol)

Times Microwave Systems 的 LMR-400-ULTRAFLEX 50 Ω 低損耗纜線是一款同軸纜線，適合額定頻率為 6 GHz 的室內或戶外作業。其頻率相關衰減為 900 MHz 時 0.05 dB/ft，在 5.8 GHz 時增加至 0.13 dB/ft。其傳播速度 (處理反射時所用的規格) 是光速的 80% (速度係數為 0.8)。反射和傳輸損耗兩者與長度有關，大型纜線並未提供此規格。

連接器等組件的指定工作範圍略有不同。Amphenol Communications Solutions 的 10128419-101LF 112 腳位排針公座供背板使用。其額定可處理最大位元率為 25 至 56 Gbps 的數位訊號。其接點的特性阻抗為 92 Ω。多導線連接器的插入損耗和串音規格非常重要 (圖 10)。

圖 10：10128419-101LF 排針座的重要插入損耗和串音規格，是頻率的函數 (圖片來源：Amphenol)

上述為與互連組件相關的典型訊號完整性規格。

結論

在人工智慧資料中心等高速系統的整體設計過程中，必須將訊號完整性納入考量。許多因素都會影響訊號完整性，設計人員必須思考所有因素，以減輕其影響。有了正確的電路板走線佈局以及適當的導線和連接器，可以達到最高訊號完整性。