单端/差分高速信号对差分对的串扰问题分析

在讨论单端/差分高速信号对差分对的串扰问题时，我们需要考虑几个关键因素，包括信号线的耦合程度、间距、回流路径的设计以及可能的防护措施。以下是根据我学的知识整理的一些关键点：

差分信号的抗串扰能力：

差分信号线分为紧耦合和弱耦合两种类型。当单端信号线与差分信号线平行布置时，它们之间会通过电磁耦合产生相互干扰。这种干扰可以通过电场耦合（电容耦合）和磁场耦合（电感耦合）两种路径发生。紧耦合差分对对外部串扰的抵抗能力更强，因为它们之间的距离更近，受到的干扰幅度更接近，相对于差分信号幅度来说影响更小。

单端信号与差分对的相互作用：

当单端信号遇到回流平面间隙时，可能会受到较大的电感突变，导致信号边沿急剧增大。紧耦合差分对遇到回流平面间隙时，如果返回平面距离大于差分对外沿线间距，差分阻抗会产生突变，导致反射，但信号边沿基本保持不变。

减少串扰的措施：

增加信号线之间的距离，通过增大单端信号线与差分信号线之间的物理距离，可以减少电磁耦合。使用屏蔽，在单端信号线周围使用屏蔽层可以有效地减小电磁干扰。优化布局，合理布局信号线，避免单端信号线与差分信号线平行布置，或者使用地面或电源平面作为隔离层。差分对走线等长等宽，确保差分对中的两根线等长等宽，可以增强差分信号的抗干扰能力。近端串扰（Near-EndCrosstalk,NEXT）：指干扰信号在接收端附近（近端）对差分信号的影响。远端串扰（Far-EndCrosstalk,FEXT）：指干扰信号在发送端附近（远端）对差分信号的影响。在单端线和差分对间添加防护线可以大幅减少远端串扰，并且近端和远端串扰均能维持在较低水平（低于40 dB）。改变防护线与单端干扰线及被干扰差分对的间距，对差分对的近端和远端串扰影响不大。

不良产生的常见后果：

单端信号对差分对的影响通常会导致差分信号的眼图闭合，降低信号的质量和可靠性。差分信号对干扰的敏感度较高，尤其是当差分对的信号幅度相等且相位相反时，任何外部干扰都可能导致差分信号之间的平衡被破坏。

通过测试讯号了解下串扰

本质上，差分信号对差分信号的干扰，通常是指一个差分信号通道对另一个相邻差分信号通道产生的串扰。由于差分信号通过两根信号线传输，这两根线上的信号具有相等的幅值但相位相反，因此在理论上它们能够很好地抵消共模干扰； 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， 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； 在实际的讯号传输过程和电路布局中，差分对之间的串扰仍然是一个需要关注的问题，尤其是在高速和高清信号传输的应用中。

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：

上面这张图可以看出，当传输线长度超过5 inch之后，crosstalk的幅度就开始基本不变了，所以Crosstalk的上升沿的时间，只与介电常数有关，有近似公式：

Crosstalk的电压等于：

一对讯号线传输时的高频电容电感效应与 Impedance匹配效应，产生对相邻讯号线造成的干扰现象.

NEXT(Near End Cross Talk)---近端串音，发生在传输源一端的串音现象FEXT(Far End Cross Talk)---远端串音，发生在接收一端的串音现象

dB=20 Log(V1/V0) V1-相邻讯号线检出电压 V0-原讯号源输出电压

两线路之间互相干扰的电磁杂讯，一般会随著频率之昇高而增加。

其量测可以NA或TDR来量测，其计算公式如下：

如果Xtalk数值越趋近于0 dB(or近100%)时，表示杂讯干扰的情况越严重，反之，Xtalk dB数值越大(or近0%)时，表示杂讯干扰的情况越少

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.

減小串音的方法分享

减小串音最根本最经济的途径是增加邻近线对间的距离,使它们儘量脱离藕合作用范围.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）.

设计要点：保证线材的均匀性和对称性,使电容均匀稳定是控制串音的基础.串音干扰由于相邻线间的藕合产生.藕合度越高,串音干扰越大;频率 越高,串音干扰越大;电容稳定性越差,串音越严重;此外,低特性阻抗有利于低串音,绝缘材料介电系数越小,串音越低.只有对理论,制程、加工、成本、规范客户要求整体把握,才能做好线材开发.对于开发工程师而言,需要熟悉制程中的每个细节,不能局限于理论.

绞距差

当多对线同时开关时,对同一根静态线的串音噪音将会叠加,幅度加大,很可能超出噪音容限.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.

屏蔽

屏蔽原理：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.

屏蔽效果：

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.

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.

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.

电线工序设计制造过程关键点：

对绞节距的大小﹑对绞节距的配合

绝缘芯线的偏心﹑椭圆﹑线径不均匀

对绞芯线的对称性，2根芯线的放线张力不均及节距不均匀

对绞节距的大小﹕节距减小—串音增大﹔节距增大—串音减小

对绞节距的配合

加工使用工序过程关键点：

在水晶头处、模块中，由于存在着局部平行线结构，此处串扰值会偏大，人工打接水晶头、模块或连接器时，若解开的双绞线过长(这样方便打线)会迅速增加串扰值，故需要在操作时特别留意(以前的要求是解开长度不超过 13mm，现在对高速网线的建议则是能不解开就尽量不解开)。有些工业以太网和现场总线的插头和连接器内部平行线/或平行插针过长，也会降低串扰指标值。全屏蔽线减小串扰的能力最强，但须要屏蔽接地到位。错开绞接率也会改善串扰值，但不能太任性，否则延迟偏离参数就不合格，这会导致同步信号时间基准偏离过大，造成接收端口识读数据的错误率增加。高速链路还要增加考察外部串扰 AXT(如 ANEXT/PS ANEXT/AACR/PS AACR 等)，避免过大的成捆电缆造成辐射干扰。邻近动力电缆可能存在低频谐波强干扰，可以通过测试电力谐波值或电力线可能引发的外部串扰值来近似评估干扰临界水平。其次就是通过实地测试干扰脉冲计数、满载吞吐量、丢包率加压测试来确定和评估干扰危害的水平，防雷器由于内部平行导体过长，串扰指标通常都很差，不能支持高速链路.

大部分这些计算工具和计算方法可以作为设计的前期指导，但是设计完成之后，还是需要依据生产过程的经验进行调整方能进行批量生产！

综上所述，为了减少单端信号对差分对的串扰，可以采取以下措施：

• 使用紧耦合差分对以增强抗干扰能力。

• 增加单端信号线与差分对之间的距离。

• 在两者之间添加防护线以减少远端串扰。

• 确保回流路径的设计合理，避免产生电感突变。

这些措施有助于提高信号传输的质量和可靠性。总的来说，单端信号对差分对的串扰是一个重要的设计考虑因素，需要通过合理的设计和布局来最小化其影响。

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