高速并行总线接口信号的完整性及设计研究

高速并行总线接口信号的完整性及设计研究

肖鹏翀

哈尔滨海能达科技有限公司 150080

    摘要：并行处理功能的实现，对于承载这一性能的电路单板设计有着较为苛刻的要求，高速接口设计是其中的重难点，应保证信号传输的完整性，让整个系统保持稳定的运行状态。总线是不同模块信号传输的公共通道，总线的稳定性与其他系统的运行效率有着密切关系，应正确认识到高速并行总线接口信号的完整性在互连设计中的重要作用，结合实际需要做好针对性设计工作，将信号完整性贯穿于总线设计系统全过程，以此提高高速并行总线接口设计水平。

    关键词：高速并行总线；信号完整性；干扰因素；互连设计

    总线结构在多领域运用中的优势较为明显，整个系统设计相对简单，兼容性和拓展性比较强，便于维修处理，投入成本比较少。先进的总线技术能够改善原有系统中存在的不足，提高系统性能。目前大部分系统中的内存接口都采用并行总线方式，在信号传输频率和要求越来越高的发展形势下，各种互连要素之间的反应越来越大，会对信号质量造成影响，影响系统的稳定运行，以及各项工作的顺利开展，这就需要加强对互连设计的深入研究。

    1.高速并行总线接口信号完整性分析

    1.1高速并行总线互连设计技术

    在现代信息技术的支持下，电气性能得到明显提升，电气互连过程中对信号实现了更为严格的管控，要想提高电气性能，则应做好电气设计工作，将新方法、新技术运用其中。高速并行总线设计工作在开展期间，也应重点分析上述问题，根据高速传输线路信号的畅通需要，科学开展设计工作。在实际设计中，设计人员需要结合以往工作经验，进行高速并行总线互连设计，通过量化与细化分析，了解总线设计性能，对相关数据标准进行预测、评估，一般会采用实际测量和数值仿真等技术进行计算。

    1.2 信号完整性的重要性

    信号完整性与信号传输质量有着密切关系，保证信号的传输时序以及系统电路电压的稳定性，可以在规定时间内完成信号数据传输工作，实现信号的及时响应，让接收器准确接收到信号内容，确保信号完整性。若不能在有效时间内进行信号的稳定持续传输，则会影响信号质量，不能保证信号完整。导致信号完整性差的原因比较多，如系统内部元器件设计和高速信号布线不合理等，若出现某一问题或者多种因素同时影响，就会对信号数据传输的准确性、完整性以及时效性产生影响，不利于系统正常作业。

    1.3高速并行总线接口设计目标

    确保接收器能够对信号源进行准确接收和正常识别，是信号完整性分析的关键。面对较为复杂的电路环境，信号在传输过程中会受到许多因的干扰，而出现信号衰减的情况，影响对信号内容的有效识别，从而影响双方正常通信。在进行高速并行总线结构设计时，应充分考虑到以上问题，将信号的完整性放在重要位置，采用多种方法和技术手段进行科学设计，控制各方面因素对信号传输造成的干扰，让信号内容能够准确、完整的传输到接收端，保障系统设计的合理性。

    2.反射噪声分析与端接技术

    2.1信号反射的原因分析

    信号传输阶段的影响因素比较多，阻抗是其中较为明显的影响因素，不但会影响信号幅度，也会对传输线产生影响，一般情况下，会在传输线终端连接与整个传输线路特征性能相对应的阻抗。应了解传输线终端接地信号幅度，控制好传输线路中的电压值，将其作为信号传输过程中的直流稳态值。若出现传输线终端阻抗与实际线路传输要求不匹配的情况，则会出现信号反射的情况，部分信号会传到接地部位，影响信号传输的完整性。

    2.2信号反射现象控制措施

    电子电路系统在运行期间，传输线信号传输效果对其性能有着较大影响，要想对信号反射现象进行有效控制，首先可以采用降低系统频率的方式，让信号在传输期间保持相对稳定的状态，但是系统的运行速度比较慢，不能很好地满足高性能系统运行要求；也可以通过PCB缩短走线的方式，减少整个信号传输期间所用的时间，但是增加PCB板层数的方式需要投入较多成本，因此在现代电子电路系统设计中并不常用，而且在实际使用期间也存在一定局限；还可以通过在传输线两端增加阻抗的方式，应保证端部阻抗与线路阻抗相匹配，从而对信号反射或者减弱现象进行有效控制。

    3.串扰噪声及其优化设计

    3.1串扰噪声的影响分析

    串扰也是并行总线接口信号传输中较为常见的影响因素，主要导致这种现象的原因就是电磁耦合，信号在传输过程中，传输线中会出现不同程度的电压噪声干扰，影响信号传输的稳定性。一旦发生这种现象，则会影响信号传播速度，不能保证信号时序，接收器不能在准确的时间内接收相关信号，无法保证信号完整，也会对其他线路产生一定干扰。串扰现象出现后，会引起感应噪声，从而对传输信号完整造成影响。

    3.2 串扰优化设计

    高速并行总线接口互连设计中，需要对串扰噪声的发生进行针对性控制，从保证信号的完整性出发，对走线进行优化设计。选择电路元器件时，应考虑到边沿速率，选择这一速率相对较慢的元器件，能够对上述问题的产生进行控制；也可以增加不同线路之间的距离，采用平行走线的方式来将避免串扰现象的出现；设计目标阻抗时，应控制好介质层参数以及导体位置，保证前者厚度合理，后者应紧贴地面，从而控制临近信号的干扰。

    4.同步开关噪声及其优化设计

    4.1同步开关噪声形成及影响

    同步开关噪声产生的主要原因就是电流与电压的不稳定变化，导致这类现象发生的原因是因为输出缓冲器转换时的线路不稳定，引起电流和电压突变，在此期间线路噪声增加。在电流出现异常变化时，电源电压会受到一定影响，并出现不稳定性变化，整个电源的完整性得不到保障。

    4.2同步开关噪声优化设计

    高速并行总线互连设计中，同步开关噪声对其稳定运行的影响比较大，是需要进行优化设计的关键，可通过安装差分输出驱动器的方式，对接收到的信号内容进行分析与处理，将降低同步开关噪声的影响。在选择电容时，也应考虑到线路耦合问题，选用旁路电容控制同步开关噪声，降低对信号完整性的影响；还可通过选择大宽度电源线的方式，减少通路电感，从而控制电流、电压异常变化，减少同步开关噪声产生。

    结语：总线技术在快速发展期间，信号完整性的重要性也愈加凸显，其在现代电子电路系统设计中非常关键，为能够满足高速并行总线接口设计与发展需要，对于设计技术和方法应不断改与更新，保证信号传输质量以及系统的正常运行。将信号完整性理论与总线互连设计整合在一起，解决原来系统设计与运行过程中存在的问题，并在设计期间要充分考虑到多方面因素对设计效果产生的影响，通过持续优化降低多方干扰，为信号的高速、稳定、完整传输打下基础。

参考文献：

[1]李芳.基于信号完整性仿真的高速电路板设计研究[J].现代信息科技,2021,5(4):5.

[2]袁为群,宋建远,陈世荣.基于信号完整性的高速PCB优化设计与研究[J].广东工业大学学报,2019,36(6):6.