摘 要
随着电子技术的不断发展，高速数字电路在发展获得了极大的机遇。加上近年来，我国在高科技领域快速发展，加速了高速数字电路的发展。通过高速数字电路的快速发展，建立一个高速的数据系统，确保数据的正确传输，当前高速数字电路中的信号完整性设计已经成为了一个热点性问题。本文主要针对高速数字电路信号完整性的相关概念进行论述，并且给出了相应的设计方案讨论。
【关键词】高速数字电路 信号完整性 设计
面对当前高速的网络通信发展，对于视频信号的处理、传输的需求也有所提高，这为高速数字电路信号的设计得到了极大的发展机遇。电路板的设计从以前的放线、布线逐渐成为了一门专业学科，而当前的高速数字电路设计中逐渐从原来的单一信号转变为目前的信号完整性设计。这一结构的发展，使得信号完整性、电源完整性以及电磁兼容完整性三者之间在相互协同工作，并且获得的效果很好。同时实现这三者之间的协同发展，也是目前急需解决的关键性问题。
1 信号完整性的相关研究介绍
所谓的信号完整性即Signal Integrity，主要是指信号沿着传输线的一端传输到另外一端并成功接收之后，然后对其完整的波形进行观测，通过比较信号的输入和输出的电压和时序的响应能力。电路中的信号以某种既定的时序、时间以及电压等达成集成，那么则表示该信号处于完整性。与之相反，表示该信号的完整性遭到了破坏。对信号完整性的研究中主要针对信号的波形、电压、相互连线的作用和电气特性参数性能影响等内容。那么在实际的研究过程中对于信号的完整性进行分析信号的单一网络质量、多网络间串扰、电源和地分配的轨道塌陷以及系统的电磁辐射和电磁干扰等。高速数字电路信号在进行完整性设计的时候，由于科学界没有解决好从直流到毫米微波的超宽频快速变化信号，而且也有纵横交错的超细微互相连接封装的结构，形成了复杂的电磁场。
2 高速数字系统相关介绍
随着计算机技术的不断发展，计算机性能得到了极大的飞跃，尤其是在处理芯片的发展上，主要根据衡量芯片的时钟频率作为指标来衡量其性能。由于光刻法会造成时钟的频率出现越来越高的趋势，同时也会产生尺寸较小的晶体管门沟道，这会给信号的完整性带来非常严重的影响。随着时钟频率不断提高，需要更长的读取数据线或者时钟线，并且还需要足够的时间来读取处于高低电平状态的信号。在此过程中需要很短的时间进行信号转换，但是随着信号不断上升而减小，信号的完整性就更难解决。我们在对时钟的频率范围进行限定，以此来确定高速数字，衡量一个数字电路是否属于高速，则需要根据数字信号的上升和下降的时间来进行确定。转折频率与数字上升的时间存在着关联，但是与时钟频率却无关。
Fknee=0.35（或0.5）/Tr，其中Fknee表示的是转折频率，数字的脉冲能量大部分集中在此频率之下；Tr表示的是脉冲上升时间。任何的数字信号的时域特性均是由Fknee频率下的信号所决定。Fknee可以通过将时间与频率联系起来作为数字信号含频率的实际边界。
3 基于信号完整性的高速数字系统设计方案
3.1 新产品的设计方案
新产品在设计的时候如果忽略了信号的完整性，那么势必会造成开发的进度推后，同时也会造成开发费用升高，而且可能导致产品无法制造出来。从传统的制造来看，一个新的产品设计方案通常缺少了实时、有效、定量的分析和评估，那么只有通过设计经验来进行项目产品评估。因此我们在设计新方案的时候要消除信号完整性的问题，并且在产品设计周期中要尽量的消除此问题。
3.2 信号完整性分析模型以及工具介绍
对于高速数字电路信号完整性的设计主要有建模、仿真以及特征参数化几个方面。其中建模选择有源器件的模型和无源器件模型，通过此两种不同的模型完成高速数字电路信号完整性设计，值得注意的是：有源器件模型通常与SPICE模型兼容，也会与输出和输入缓冲接口兼容。对于高速数字电路中的信号完整性设计中仿真工具的使用，常会有电路仿真器、行为仿真器、电磁仿真器等等几类。其中电路仿真器在时域频域中实现对电路元件对应差分方程进行求解，以此来对各个电路节点完成电压和电流的预测。通过电路仿真器可以表示出各个导体与电介质之间转化而成的电容、电阻以及电感之间的耦合关系。行为仿真器往往是在时域内采用表格、传输线等模型来表示传递函数的无源元件模型，根据传递函数预测出各个节点之间的电流和电压。电磁仿真器则主要是时域或者频域范围中实现方程求解并且仿真出各个位置的磁场和电场。
4 结语
伴随着电子通信技术的快速发展，高速数字系统在设计上与以往有着很大的不同，其主要的不同点表现在集成的规模变得越来越大，而且I/O数量越来越多，单板的互连密度逐渐加大。随着时钟频率不断变高，信号的边缘速率变得越来越快，致使系统与单板信号的完整性受到影响。从市场的研发以及产品在市场上的推广来看，一次性的设计成功就显得非常重要，那么从根本上解决信号的完整性问题将对于产品的影响非常大。
参考文献
[1]李小荣.高速数模混合电路信号完整性分析与PCB设计[D].杭州电子科技大学，2010.
[2]桂亮.信号完整性研究及其在网络视频监控终端中的应用[D].浙江工业大学，2012.
[3]郭褚冰.基于企业级路由器硬件系统的高速信号完整性分析与设计[D].重庆大学，2013.
[4]孟垂建.基于信号完整性的PCB仿真设计与分析研究[D].哈尔滨工程大学，2013.
作者单位
陕西广电网络传媒（集团）股份有限公司延安分公司 陕西省延安市 716000
