1.3　高速信号传输的信号完整性概述

理解电阻、电感、电容以及电阻器、电感器和电容器等基础概念和它们的性质，认识导体或导体对所固有的各种特性，以及这些特性具有对电流、电流变化或电压变化的抵抗的性质，是理解高速信号传输的基础。信号传输线是由导体或导体组件构成的，那么，信号传输线对于高速信号传输具有哪些概念和特性呢，这里就需要认识和理解传输线和传输线的特征阻抗以及与之相关的概念和性质，以便在高速信号传输设计中选择合适的传输线，保证信号传输波形失真度在可容许的范围内。

1.3.1　信号传输线及信号回路

电信号传输一定是在某个传输线上进行，传输线与信号发生器以及信号接收器一定构成一个封闭的信号环路，信号电流从信号源端到信号接收端的传送路径被称为信号路径，信号电流从接收端返回到发送端的路径被称为信号回路。

对于信号传输线概念的理解，需要电子设计工程师建立一个极其重要的认识——信号传输线是由信号路径、信号回路以及两者之间的介质共同构成的，三者缺一不可。

信号路径、信号回路以及它们之间介质的不同构型决定了不同的信号传输线类型，而不同的信号传输线类型适合不同种类的高速信号传输。高速信号传输工程化设计的重要内容之一就是在综合考虑成本和制造性等因素的前提下，为不同类型的高速信号传输选择合适的信号传输线。

虽然在电子产品的硬件设计和分析中信号回路往往被忽略，但是无论信号回路是否被设计师显性化地设计和控制，与信号路径相配对的信号回路一定是被信号自己按照以下原则找到的：直流电流一定会寻找一条电阻最小、与信号路径组成的信号环路面积最小的信号回路，并给这条回路分配最多的直流电流；交流电流一定会寻找一条阻抗最小、与信号路径组成的信号环路面积最小的信号回路，并给这条回路分配最多的交流电流。

由于电信号一定存在电压或电流的变化，因此电信号一定包括直流信号分量和交流信号分量，按照直流电流和交流电流对信号回路的要求，信号的直流分量的信号回路和交流分量的信号回路未必是同一条物理路径，因此，信号回路就分为直流分量信号回路和交流分量信号回路。

因此，一个信号的信号传输线可能存在两条，一条是直流分量信号传输线，另一条是交流分量信号传输线。由于交流分量对信号更加重要，而且交流分量的信号回路设计更加复杂和困难，因此，一般意义上讲的信号传输线往往指交流分量的信号传输线。

对于高速信号传输工程化设计，理想情况下，不同信号的信号路径应该单独存在，不应该与其他信号的信号回路共享，这样，不同信号之间物理上分离，除了辐射干扰外，不存在由于回路共享而带来的信号叠加。但是，由于成本控制、电平基准要求等因素，不同信号的信号回路有可能存在部分路段共享或交叉，共享信号回路的原则就是避免因信号回路共享而带来的不同信号之间不可容许的叠加干扰。

对于直流分量的信号回路，主要考虑信号回路的电阻以及负载电流能力满足产品性能要求，并考虑减少信号回路与信号路径所构成的环路面积，以及降低与其他信号的直流分量信号回路共享而产生的相互干扰。

对于高速信号传输工程化设计和分析，需要强调的就是对传输线之信号回路，尤其是交流分量信号回路的可控性设计和显性化。很多信号传输问题，如特征阻抗不一致问题，是由信号回路不可控或难以显性化分析导致的。

对于交流分量的信号回路工程化设计和分析，需要认识和深刻理解交流分量信号传输线的一个非常著名的概念：特征阻抗。

1.3.2　特征阻抗的概念

信号的交流分量实际上是在信号路径和信号回路之间的介质中，以交变电磁场的形式进行传输的，因此，其传输速度并非电子在导体中的定向移动速度，而是电磁场在介质中的传输速度。

如图1.1所示，当交流信号沿传输线传输到A处时，该交流信号就穿越AB之间的介质，沿AB返回到信号回路。

根据阻抗的计算公式：

则传输线在AB处的特征阻抗z即是AB之间的信号电压u与AB的电流i之比。

在信号传输线中应用阻抗这一概念，应先明确信号在传输线的位置，然后进行分析。信号路径与信号回路的结构，以及信号路径与信号回路之间的介质等共同决定了这个位置的阻抗。

由于阻抗完全由传输线的结构特征决定，因此，阻抗也被称为特征阻抗。

需要注意的是，虽然传输线的特征阻抗这一说法不准确，但通常也可用于描述在所有位置上结构比较一致的传输线的标称阻抗。

特征阻抗是信号传输线在某位置上所固有的特性之一，反映传输线在某位置上对信号交流分量传输的抵抗能力的大小。当信号路径与信号回路的结构及结构形式确定下来，且信号路径与信号回路之间的绝缘介质材料和体积确定下来以后，该信号传输线在该位置上对信号的特征阻抗就被确定下来。一个重要的结论是，传输线结构的突然变化必然导致传输线的特征阻抗的突变。

1.3.3　高速信号传输的反射现象

众所周知，在不同折射率介质的界面处，光线传输会发生反射。介质的折射率是其特征阻抗的重要影响因素，而光是电磁波的一部分，与光波一样，在不同特征阻抗介质的界面处，电磁波传输会发生反射。

信号在传输线中传播，就是信号产生的电磁波在传输线所构成的空间中传播，当传播到阻抗突变处时，电磁波会发生反射现象，反射电磁波沿着传输线往回传输，剩下的电磁波继续向前传输。

特征阻抗反映传输线对信号交流分量传输的抵抗能力的大小，顾名思义，当信号在信号传输线上传输时，若遇到特征阻抗突变的某处，信号就像河流遇到突然放宽或收窄的河道处一样，会发生反射现象，信号的未反射分量继续沿着信号传输方向往信号接收器端传输，而信号的反射分量则逆着信号传输方向往信号发送端传输。信号反射量的大小由突变处前后的特征阻抗变化量确定：

高速信号传输对信号传输线的要求就是在整个传输线长度上，其任意一段的特征阻抗变化在容许范围内。否则，当传输线A处和B处的特征阻抗存在突变时，信号反射量就逆着信号传输方向往信号源端传输，在传输过程中如果再遇到特征阻抗突变的某处B时，会再次发生反射（见图1.2）。在信号接收端，信号与信号反射量叠加，导致接收端所接收到的信号波形发生变化，如果信号波形变化量不足以导致接收端解码失败，则说明信号波形的失真度可以被接受，也说明传输线的特征阻抗的变化在容许范围内；否则，信号传输就失败了。

高速信号传输在特征阻抗突变处会发生反射现象，为了减少信号接收器接收端的反射，以及信号发生器端的信号反射，则要求信号接收器的输入阻抗和信号发生器的输出阻抗与传输线的特征阻抗相一致。否则，就要根据信号失真度的容许量，在信号接收器端和信号发生器端放置合适的端接电阻，使得信号接收器端的阻抗与传输线的特征阻抗相一致，信号发生器端的阻抗与传输线的特征阻抗相一致。

差分信号的传输线与单端信号传输线相比，只是在结构上有所不同，特征阻抗的概念以及特征阻抗所呈现的性质是相同的。前者有两条信号路径，分别传送差分信号的正极性信号和负极性信号，还有一条信号回路供正极性信号和负极性信号的回流共用；而单端信号传输线只有一条信号路径和与之对应的信号回路，当然，这里所说的信号回路是指信号交流分量的信号回路。

电信号的传输线对高速信号传输具有一定的性能限制，即再好的传输线也不能够将任意高频率的信号传输到任意长的距离。好的传输线就是指整个长度内的每一段传输线的特征阻抗值都是相同或相近的，虽然高速信号在其上进行传输不会发生反射现象，但是信号包含了许多不同频率的谐波分量，不同频率的谐波在同一介质中的传播速度是不同的。当传输线足够长时，由于传播速度的差异，信号发送端产生的信号波形经过足够长的信号路径，其形状会由于各种谐波到达时间的差异而不能复现，这被称为色散现象。另外，足够长的电缆也会有非常大的电阻，会消耗信号中过多的能量。因此，将高速信号变换为光信号在光纤中传输，是提高高速信号传输距离的一个选择。

1.3.4　信号回路与“地”

理解了信号传输线、信号回路、传输线的特征阻抗的概念，有必要重新认识“地”的概念和性质，以正确理解“地”在高速信号传输中所具有的作用。

准确地讲，“地”只有两个含义，分别是“大地”和“基准地”。

“大地”的原意就是指地球，也引申为可以吸收大量电荷的物体。这样的物体可以吸收其他物体上多余的或需要泄放的电荷，“大地”的意义在于为与其短路连接的物体提供一个收放多余电荷或垃圾电荷的场合。

而且，由于大地是电的良导体，大地上的电势处处相等，即使收留了大量垃圾电荷，其电势也是整个大地一起变化。由于大地很大，可把大地视为零电势，以作为其他物体电势的参考。因此，地球是我们所关注的电子系统的电势为零的“基准地”，即系统各点的电压都应以大地为基准。

值得注意的是，这里的基准地，并不是信号采集器采集信号的基准，信号采集器对某个信号电压的采集，一定以信号采集器上信号回路管脚的电压为基准。

“数字地”“模拟地”“屏蔽地”等概念或术语，实际上与“地”没有什么必然联系。这些概念或术语的存在，除了可能诱导电路设计工程师在进行信号传输质量设计时搞出各样的错误外，几乎没有什么正面的意义。而“数字地”“模拟地”“屏蔽地”之所以存在，其目的可能是用这些概念代替其他概念。

有人将“数字地”理解为数字信号或数字器件供电电源的回路，也有人将其理解为数字信号采样的基准电压点，这两种理解都不准确。如果是前者，可能是因为在PCB的解释上，数字电源的回路被看作数字地平面，而数字信号的信号回路大多与数字地平面共用，所以称数字电源的回路平面为数字地。但是，在PCB设计时，数字电源的电源平面也经常被用作数字信号的回路，那么电源平面能被看作数字地吗？如果是后者，某个数字信号的电压采样基准点应位于采样电路附近区域的信号回路，而不是整个信号回路的全部，距离那个区域越远，采样的基准就越不准确。

根据上面对“数字地”的分析，同样地，“模拟地”如果被看作模拟信号或模拟器件的供电电源的回路，或者是模拟信号采样的基准电压点，也是非常不准确的。

有人将“屏蔽地”理解为能收放信号屏蔽层上垃圾电荷的目的地，这其实是“大地”的概念。

在设计信号传输线时，为了保证信号在传输时的失真度可接受，理想情况下是为每个信号提供一个独立的满足要求的传输线，这样可以保证信号在传输时不会出现叠加干扰。但是考虑到成本和体积的限制因素，会大量出现不同信号传输线的信号回路相互共用，或者信号回路借用电源平面层的情况。

只有抛弃数字地、模拟地，或其他地的概念，聚焦信号回路的概念，才能正确地对信号回路共用或借用进行设计，为每一个信号提供可控的直流分量回路和交流分量回路，保证直流分量回路电阻和环路面积可接受，同时保证信号交流分量传输线各处阻抗一致，既保证信号传输波形失真可接受，又节约成本、控制体积。

1.3.5　信号类型及其特性

一个电子产品或电子系统中所包含的信号传输的数量可能成千上万，具体到每一个信号是如何传输的，应该先确定信号的类型，并分析其特点。

根据电信号代表的信息类型是模拟信息还是数字信息，将电信号分为模拟信号和数字信号。

①模拟信号：是指表示连续变化信息的电信号，而电信号本身也是连续变化的。模拟信号（如标准视频信号）要求信号在传输过程中只能有很小的失真度，因此，模拟信号传输都应被看作高速信号传输。

②数字信号：是指表示被编码的离散（数字）信息的电信号，而电信号本身是连续变化的，电信号的某个值（比如电压值）被分为多段，不同的逻辑值用不同范围的电压值代表，数字信号传输是否被看作高速信号传输，则取决于高速信号传输的界定标准。

高速信号传输，包括高速模拟信号传输和高速数字信号传输。进行信号传输设计时，首先根据高速信号传输的界定标准，将信号传输分为高速信号传输和低速信号传输，其次按照高速信号传输对传输线的要求，将高速传输的信号分为以下两种。

①单端信号：当某个信号的电压测量值必须以采集电路附近的信号回路作为电压基准点时，这个信号称为单端信号。单端信号要求信号传输线由一条信号路径和与之配对的一条信号回路组成。

②差分信号：当某个信号的电压测量值必须以一对幅值相等、相位相反的电信号的差来表示时，这个信号称为差分信号。差分信号要求信号传输线由正信号线及正信号回路、负信号线及负信号回路构成。

综上所述，对于单端模拟信号和模拟差分信号，它们的传输都必须被看作高速信号传输，而对于单端数字信号和差分数字信号，要根据高速信号传输的标准进行界定。

因此，在进行电子产品硬件设计时，只需要对以下4种信号进行高速信号传输设计：

●单端模拟信号；

●差分模拟信号；

●高速信号传输单端数字信号，简称高速单端数字信号；

●高速信号传输差分数字信号，简称高速差分数字信号。

1.3.6　电缆传输线类型及其特性

通过学习和理解信号传输线及其特征阻抗，以及信号类型及其特征，可以得出一个结论：高速信号传输之信号完整性设计技术本质上是对不同的信号类型选择和设计合适的信号传输线，并保持传输线任意一段特征阻抗的变化值在可控的范围内。

在工程实践中，高速信号传输在电缆、接插件或者PCB上进行，因此，应该先研究电缆传输线类型、PCB传输线类型和接插件传输线类型及其特征，再为不同的信号选择或设计合适的传输线类型，以保证信号传输过程中的信号完整性。

基本的电缆传输线类型主要有以下8种。

（1）单股电缆

单股电缆不可以单独作为信号传输线，必须与另外一条单股电缆配对形成信号传输线。两条单股电缆作为信号传输线，其信号路径是其中一根单股电缆，与之配对的信号回路是另外一根单股电缆，传输线的特征阻抗是指一根单股电缆对另外一根单股电缆的阻抗。由两条单股电缆形成的电缆对的结构形式不容易在整个长度范围内保持一致，因此，两条单股电缆形成的传输线的特征阻抗不容易保持一致，适合性能要求不高的低速数字信号传输。

（2）单股屏蔽电缆

单股屏蔽电缆可以作为信号传输线，其信号路径是电缆的芯导线，与之配对的信号回路是外层所谓的屏蔽层导体，传输线的特征阻抗是指芯导线对外层所谓的屏蔽层导体的阻抗。单股屏蔽电缆作为传输线，其结构一致性较好，其特征阻抗在整个传输线长度范围内具有一定的一致性，适合作为高速信号传输单端数字信号的传输线。

（3）同轴电缆

同轴电缆作为信号传输线，其信号路径是芯导线，与之配对的信号回路是外层导体，传输线的特征阻抗是指芯导线对外层导体的阻抗。同轴电缆与单股屏蔽电缆相比，二者物理结构类似，但同轴电缆的结构一致性更高，其特征阻抗在整个传输线长度范围内具有更高的一致性。同轴电缆适合作为高速单端模拟信号和高速单端数字信号的传输线。

注意

同轴电缆作为信号传输线时，外层导体作为信号回路，而不是作为屏蔽体。

（4）三同轴电缆

三同轴电缆与同轴电缆相比，可以看作在同轴电缆外层增加一个屏蔽层。三同轴电缆作为信号传输线，其信号路径是芯导线，与之配对的信号回路是中间层导体，传输线的特征阻抗是指芯导线对中间层导体的阻抗，外层导体不是传输线的组成部分，而是信号传输线的屏蔽体。三同轴电缆作为传输线，不但具有高一致性的特征阻抗，还具有传输线屏蔽功能，因此，非常适合作为高品质的高速单端模拟信号或高速单端数字信号的传输线。

注意

三同轴电缆作为信号传输线时，外层导体是传输线的屏蔽体。

（5）双绞电缆

双绞电缆作为信号传输线，其信号路径是双绞电缆中的任意一根导线，与之配对的信号回路是双绞电缆的另外一根导线，传输线的特征阻抗是指存在于双绞的两根线之间的阻抗。双绞电缆的物理结构在整个传输线长度范围内有很好的一致性，适合作为高速单端数字信号的传输线。

（6）双绞屏蔽电缆

双绞屏蔽电缆作为信号传输线，传输线的结构形式有两种。第一种信号传输线称为屏蔽双绞传输线，其信号路径是双绞电缆中的任意一根导线，与之配对的信号回路是双绞电缆的另外一根导线，传输线的特征阻抗是指存在于双绞电缆中的两根线之间的阻抗。屏蔽层不是信号传输线的组成部分，而是作为信号传输线的屏蔽体，这种信号传输线结构适合作为高速单端数字信号的传输线。第二种信号传输线称为回路双绞传输线，其信号路径是两根双绞导线，分别作为差分信号正负极性信号的信号路径，外层的屏蔽层作为两个信号的共同信号回路，传输线的特征阻抗是双绞电缆中两根导线对外层屏蔽层导体的阻抗。回路双绞传输线适合作为高速差分数字信号或差分模拟信号的传输线。

（7）三绞屏蔽电缆

三绞屏蔽电缆作为信号传输线，其信号路径是三绞导线中的两根导线，分别作为差分信号正负极性信号的信号路径，三绞导线中的另外一根作为两个信号路径的共用信号回路。外面的屏蔽层作为三绞信号传输线的屏蔽体，不是传输线的组成部分。传输线的特征阻抗是三绞线中两根正负极性信号导线对另一根导线的阻抗，三绞屏蔽电缆非常适合作为高速差分数字信号或差分模拟信号的高品质传输线。

（8）四绞屏蔽电缆

四绞屏蔽电缆作为信号传输线，常常被用来作为两对差分信号的传输线，其信号路径是内部的四绞导线，分别作为两对差分信号正负极性信号的信号路径。外层的所谓屏蔽层只能作为两对差分信号之信号路径的共享信号回路，其特征阻抗分别是两对双绞导线对外层屏蔽层的阻抗。四绞屏蔽电缆的这种用法，实际上是两条回路双绞传输线共享一个信号回路。

根据以上8种基本的传输线类型，结合信号的特点，可以组合成各种复杂的信号传输线，下面举例说明。

第一，各类网线。

以太网电信号由四对差分数字信号组成，每对信号的传输线应该选择双绞电缆。如果只是将四对双绞电缆用绝缘套封装为一束线缆，则为五类网线；如果加粗铜线线径，同时在网线内部增加十字骨架，四对双绞线分别置于十字骨架的4个凹槽内，有利于减少线对间的串扰，同时提高电缆的平衡特性，这就是六类网线；如果在六类网线基础上每对双绞电缆外分别加一个屏蔽套，再用一个屏蔽套把4个双绞屏蔽电缆套在一起，最后用绝缘套封装为一束线缆，则是七类网线。从五类、到六类再到七类，传输线基本结构没有变化，只是电缆束抗干扰能力在逐渐增强。

第二，DVI信号传输线。

DVI信号是四对差分数字信号，在UXGA模式下每对差分信号的传输速率可达1.65Gbps，对于如此高频的差分数字信号，选择三绞屏蔽线作为每对差分信号的传输线，将四对三绞屏蔽线组合在一起，用屏蔽套和绝缘套封装成一束电缆，就成为高品质的DVI信号传输线了。

另外，常见的高速信号还有USB信号、SATA信号，以及PCI-e信号等，随着信号传输技术的发展，还会有很多新的信号种类出现。对于各种信号，可以参考上述8种基本的信号传输电缆形式，在考虑成本和可制造性等因素的前提下进行组合，以满足各种信号的传输需要。

从技术上讲，在电子产品的电缆设计过程中，无论是低速信号传输还是高速信号传输，为信号传输选择一个最高质量的电缆传输线是最为理想的。但是，这样做在工程实践中是行不通的，一是导致电缆体积过大、重量过重而无法接受；二是导致成本过高，从而降低了产品的市场竞争能力。

从工程化设计角度出发，电子系统电缆设计要综合考虑可实现性和低成本，需要确定各种信号采用何种电缆进行传输，既满足产品的性能，也降低产品生产成本，还需要确定哪些信号可以共用信号回路，减少电缆导线的数量，不至于由于信号间相互干扰而导致某个信号传输失败。如何判断各个信号采用何种电缆传输线，哪些信号可以共用信号回路，一方面需要扎实的传输线理论，另一方面需要工程师具有丰富的设计经验，而最有效的办法是用相关工具软件进行仿真计算，经过测试验证后进行改进设计，逐渐积累并丰富设计经验。

注意

大部分情况下，信号直流分量和交流分量这两条信号回路采用同一组电缆传输线。

1.3.7　PCB传输线类型及其特性

信号在电缆中传输，需要选择或设计合适的电缆传输线，同理，信号在PCB上传输，也需要选择或设计合适的PCB传输线。对于电缆传输线，电子工程师的主要工作是选择，而对于PCB传输线，电子工程师的主要工作是设计，即以PCB布线的方式完成对不同信号的PCB传输线的选型和实现。

常用的PCB传输线类型有以下几种。

（1）共面线

共面线作为信号传输线，其信号路径与信号回路（交流分量信号回路和直流分量信号回路共用）同处于PCB上同一个信号层，PCB信号线在整个传输线长度范围内相邻且相互平行，其特征阻抗是两条PCB信号线之间的阻抗，只要共面线的物理结构在整个传输线范围内没有变化，则其具有较好的特征阻抗一致性。共面线适合作为单端模拟信号和高速单端数字信号的传输线。

（2）微带线

微带线作为信号传输线，其信号路径是表面信号层上的PCB信号线，其信号直流分量的信号回路是位于某个或某些PCB的“地”平面中的假想导线，该导线电阻最小，并且与信号路径组成的环路面积最小；其信号交流分量的信号回路是位于与该PCB信号线的信号层相邻平面层中、与该信号路径平行且距离最近的假想导线，其特征阻抗是PCB信号线对平面层的阻抗，只要微带线的物理结构在整个传输线范围内没有变化，则其具有较好的特征阻抗一致性（工程中一般不太可能）。微带线可以作为单端模拟信号、高速单端数字信号的传输线，布线设计难度较共面线小。

（3）嵌入式微带线

嵌入式微带线是微带线的一种，只是信号线所在的信号层在PCB内层而非表面，信号传输延迟较微带线更大，其他特征和作用与微带线的相同。

注意

微带线和嵌入式微带线作为信号传输线，其信号交流分量的信号回路所在的平面层，可以是“地”平面，也可以是“电源”平面。

（4）带状线

带状线作为信号传输线，其信号路径是信号层上的PCB信号线，其信号直流分量的信号回路是位于PCB的某个或某些“地”平面中的假想导线，该导线电阻最小，并且与信号路径组成的环路面积最小；其信号交流分量的信号回路是位于与PCB信号线所在信号层的上下两个相邻平面层中、与该信号路径平行且距离最近的上下两条假想导线，其特征阻抗是PCB信号线对两个相邻平面层的阻抗，只要带状线的物理结构在整个传输线范围内没有变化，则其具有较好的特征阻抗一致性（工程中一般不太可能），与微带线或嵌入式微带线相比，带状线具有更高的抗干扰能力和较低的干扰能力。带状线可以作为单端模拟信号、高速单端数字信号的传输线，布线设计难度较微带线高。

（5）（嵌入式）双微带线

双微带线作为信号传输线，信号路径是位于PCB表面（或内部）同一信号层上两条相邻的信号线，这两条信号线分别作为差分信号的正负极性信号的信号路径，其信号直流分量的信号回路是位于PCB的某个或某些“地”平面中的假想导线，该导线电阻最小，并且与信号路径组成的环路面积最小；其信号交流分量的信号回路是位于与该PCB信号线所在信号层相邻的平面层中、与两条信号路径平行且距离最近的两条假想导线，其特征阻抗是PCB信号线对相邻平面层的阻抗，只要双微带线的物理结构在整个传输线范围内没有变化，则其具有较好的特征阻抗一致性（工程中一般不太可能）。双微带线可以作为高速数字差分信号或模拟差分信号的传输线，布线设计难度一般。

注意

双微带线与嵌入式双微带线相比，信号传输延迟更低。

（6）双带状线

双带状线作为信号传输线，信号路径是位于PCB内部同一信号层上两条相邻的信号线，这两条信号线分别作为差分信号的正负极性信号的信号路径，其信号直流分量的信号回路一定是位于PCB的某个或某些“地”平面中的假想导线，该导线电阻最小，并且与信号路径组成的环路面积最小；其信号交流分量的信号回路是位于与该PCB信号线所在信号层相邻的上下两个平面层中、与两条信号路径平行且距离最近的4条假想导线，其特征阻抗是，只要双带状线的物理结构在整个传输线范围内没有变化，PCB信号线对上下两个平面层的阻抗具有较好的特征阻抗一致性（工程中一般不太可能）。与双微带线相比，双带状线具有更高的抗干扰能力和更低的干扰能力，双带状线可以作为高速数字差分信号或模拟差分信号的高品质传输线，与双微带线相比，布线设计难度较大。

从技术上讲，在电子产品的PCB设计过程中，对于信号传输，无论是低速信号传输还是高速信号传输，选择一个最高质量的PCB传输线是最为理想的。但是，这样做在工程实践中是不可行的，一是导致PCB信号层和平面层的数目太多，二是导致成本过高，降低了产品的市场竞争能力。

从工程化设计角度看，电子产品PCB设计要综合考虑可实现性和低成本，需要确定各种信号是否采用PCB传输线进行传输，如果要用PCB传输线，那么需要采用何种PCB传输线进行传输，使其既满足产品的性能，又降低产品制造成本，还需要确定哪些信号可以共用信号回路或信号回路可以交叉，且减少平面层的数目，但这是以不会因信号间相互干扰而导致某个信号传输失败为前提的。如何判断各个信号采用何种PCB传输线，哪些信号可以共用信号回路，一方面需要扎实的传输线理论，另一方面需要工程师具有一定的设计经验，而最有效的办法是用相关工具软件进行仿真计算，经过测试验证后进行改进设计，逐渐积累并丰富设计经验。

另外，在电子产品的PCB设计时，考虑到产品成本和可实现性，就不大可能在所有信号传输线长度范围内保持所有信号的PCB传输线结构形态不变。比如，为减少成本而压缩PCB层数，就存在同一条信号路径在不同信号层布线的情况，信号路径在不同信号层间变换，就会破坏该信号传输线的结构形态，使传输线在层间变换处的特征阻抗发生突变。在这种情况下，若要减少特征阻抗的突变值，则需要运用相关的软件工具进行仿真分析，从而确定解决方案。

注意

特定类型高速信号传输的PCB传输线设计，必须符合该类型信号传输的规范要求，或者相关开发手册的规定，不能为了降低成本或方便设计而自行降低要求，应该在没有仿真工具的情况下，保证PCB信号传输线设计的正确性。

1.3.8　连接器传输线类型及其特性

信号在电缆中传输，需要选择或设计合适的电缆传输线。在PCB上传输，需要选择或设计合适的PCB传输线，当信号传输通过连接器中的端子或差分芯时，则需要选择或设计合适的连接器传输线。

常用的连接器传输线类型有以下几种。

（1）单端子

连接器中的一个端子不可以单独作为信号传输线，必须与连接器中的一个相邻单端子配对才能构成信号传输线。两个相邻单端子作为信号传输线，其信号路径是其中一个单端子，与之配对的信号回路是另一个单端子，传输线的特征阻抗是指一个单端子对另外一个单端子的阻抗。两个相邻的单端子构成的连接器传输线，其特征阻抗不可知，传输线三个线段（插头单端子部分、两个端子接触重叠部分、插座单端子部分）的特征阻抗差别也不可知。因此，其特征阻抗在整个连接器传输线长度范围内不可能具有一致性。单端子组合的连接器传输线只适合作为性能要求不高的低速数字信号传输。

（2）两同轴端子

两同轴端子作为信号传输线，其信号路径是端子的芯，与之配对的信号回路是端子外层导体，传输线的特征阻抗是指芯导体对外层导体的阻抗，两同轴端子特征阻抗在制造时已经被确定，可以根据需要选择合适特征阻抗数值的两同轴端子。两同轴端子适合作为单端模拟信号和高速单端数字信号的连接器传输线。

注意

两同轴端子作为信号传输线时，外层导体作为信号回路，而不是作为屏蔽体。

（3）三同轴端子

三同轴端子与两同轴端子相比，可以看作在两同轴端子外层导体增加一个屏蔽层。三同轴端子作为信号传输线，其信号路径是端子的芯，与之配对的信号回路是端子的中间层导体，传输线的特征阻抗是指端子的芯导体对中间层导体的阻抗，外层导体不是传输线的组成部分，而是作为信号传输线的屏蔽体。由于具有传输线屏蔽体，三同轴端子非常适合作为高品质的高速单端模拟信号或高速单端数字信号的连接器传输线。

注意

三同轴端子作为信号传输线时，最外层导体是传输线的屏蔽体。

（4）差分端子

差分端子作为信号传输线，其信号路径是差分端子中的任意一个差分芯，与之配对的信号回路是差分端子中的另外一个差分芯，传输线的特征阻抗是指存在于差分端子两个差分芯之间的阻抗，差分端子适合作为高速单端数字信号的连接器传输线。

（5）两芯屏蔽端子

两芯屏蔽端子作为信号传输线，传输线的结构形式有两种。第一种信号传输线称为屏蔽差分传输线，其信号路径是差分端子中的任意一个差分芯，与之配对的信号回路是差分端子的另外一个差分芯，传输线的特征阻抗是指存在于差分端子两个差分芯之间的阻抗。屏蔽层不是信号传输线的组成部分，而是作为信号传输线的屏蔽体，这种信号传输线结构适合作为高速单端数字信号的传输线。第二种信号传输线称为回路差分传输线，其信号路径是差分端子的两个差分芯，分别作为差分信号正负极性信号的信号路径，外层的屏蔽层作为两个信号的共同信号回路，传输线的特征阻抗是差分端子中两个差分芯对外层屏蔽层导体的阻抗。回路差分传输线适合作为高速差分数字信号或差分模拟信号的传输线。

（6）三芯屏蔽端子

三芯屏蔽端子作为信号传输线，其信号路径是三芯端子中的任意两个差分芯，分别作为差分信号正负极性信号的信号路径，三芯端子中的另外一个差分芯作为两个信号路径的共用信号回路，外层导体作为信号传输线的屏蔽体，不是传输线的组成部分。传输线的特征阻抗是三芯端子中两个差分芯对另一个差分芯的阻抗，三芯屏蔽端子非常适合作为高速差分数字信号或差分模拟信号的高品质传输线。

（7）四芯屏蔽端子

四芯屏蔽端子作为信号传输线，常常被用来作为两对差分信号的连接器传输线，其信号路径是内部的4个差分芯，分别作为两对差分信号正负极性信号的信号路径，外层的所谓屏蔽层只能作为两对差分信号之信号路径的共享信号回路，其特征阻抗分别是两对差分芯对外层屏蔽层的阻抗，四芯屏蔽端子的这种用法，实际上是两条回路差分传输线共享一个信号回路。

从技术上讲，在电子产品的连接器传输线选型设计过程中，为每一个信号传输，无论是低速信号传输还是高速信号传输，选择一个最高质量且合适类型的连接器传输线是最为理想的。但是，这样做在工程实践中是不可行的，其会导致连接器的种类或者同一个连接器中端子的类型多种多样，成本也会很高。

从工程化设计角度出发，电子系统的连接器传输线设计要综合考虑可实现性和低成本，需要确定各种信号采用何种连接器进行传输，既满足产品的性能，也降低产品生产成本，还需要确定哪些信号可以共用信号回路而减少端子的数量，如何判断各个信号采用何种连接器传输线，哪些信号可以共用信号回路端子，一方面需要扎实的传输线理论，另一方面需要工程师具有一定的设计经验，而最有效的办法是用相关工具软件进行仿真计算，经过测试验证后进行改进设计，逐渐积累并丰富设计经验。

注意

大部分情况下，信号直流分量和交流分量这两条信号回路采用同一组连接器传输线。

1.3.9　信号完整性设计准则

综上所述，高速信号传输的信号完整性设计准则就是根据高速信号传输的类型和特征阻抗要求，综合考虑产品的可实现性、可制造性和制造成本，选择和设计合适的电缆传输线、PCB传输线以及连接器传输线，并考虑哪些信号可以共享信号回路，再运用相关工具软件进行仿真分析，在测试验证后改进设计，从而得到满足综合性能要求的设计方案。

具体来说，信号完整性设计准则包括以下几点。

①界定信号传输是高速信号传输还是低速信号传输，对于低速信号传输，原则上连通即可。

②确定信号的高速信号传输类型，并根据信号传输所需要传输线的特征阻抗数值，选择合适的电缆传输线、连接器传输线和PCB传输线类型。

③根据高速信号传输的品质要求，选择或设计满足要求而非最好的电缆传输线、连接器传输线和PCB传输线，并确定哪些信号传输可以共享信号回路。

以上三条基于高速信号传输线的概念和经验的准则，这些准则并不能代替相关工具软件的仿真设计，更不能代替产品的最终性能测试。

在设计中，我们必须系统考虑性能测试结果、产品的制造成本和产品的可制造性，进一步分析设计预期与结果的偏差原因，经过多轮设计、仿真、测试的迭代，得到合理的设计结果。