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技術專題
PCB設計中的信號失真：來源和解決方案
在有關信號完整性和電路分析的許多討論中，信號失真經常被忽略。隨著越來越多的網絡產品開始以更高的速度運行并使用復雜的調制方案，您會發現信號失真已成為嚴重的問題，加劇了誤碼率。失真源被認為是阻止電氣互連中更快的數據速率的主要瓶頸之一。
在模擬信號中，尤其是在高頻率下運行的模擬信號中，也可以看到相同的問題。射頻/無線領域的更多設計人員將需要在設計，測試和測量過程中了解這些失真源。
線性與非線性信號失真
所有信號失真源都可以分為線性或非線性。它們在諧波產生方面有所不同。非線性失真源在信號傳播通過諧波源時會產生諧波，而線性信號失真源則不會產生諧波。兩種失真源都可以改變構成信號的頻率分量的大小和相位。
取決于失真源的帶寬和特定信號中的頻率含量，不同的信號失真源將以不同的方式影響不同類型的信號（模擬或數字）。取決于調制類型，不同的失真源對調制信號也有不同的影響。
顯然，不同信號失真源的范圍很廣，我們無法詳細介紹每個源。但是，我們可以總結一些PCB跡線和組件中線性和非線性信號失真的重要來源。
線性失真源
頻率響應和相位失真。如果您熟悉線性電路中的掃頻仿真，那么您就會知道傳遞函數定義了線性電路中信號的相位和幅度的變化。電路，特定組件或互連的傳遞函數將施加相移并調整信號的大小。相位和幅度的這些變化是頻率的函數，并在波特圖中可視化。這意味著不同的頻率分量被延遲不同的量，并且這些不同的頻率分量被放大或衰減不同的量。
間斷性。這類廣泛的畸變源包括沿互連線的阻抗不連續性（例如，通孔和走線幾何形狀）和材料特性中的不連續性（例如，來自纖維編織效應）。
色散失真。這是由于散布在PCB基板，導體和電路板上的任何其他材料中引起的。失真源是不可避免的，盡管它可能足夠小，以至于互連長度較短時它并不明顯。基板中的分散會導致數字信號中的不同頻率分量沿跡線以不同的速度傳播。色散還會影響走線上的信號所見的損耗角正切，這會導致信號失真。這導致脈沖伸展（即，群速度變得取決于頻率），類似于在沒有色散補償的超快激光器中發生的情況。
補償PCB互連中色散的一種解決方案是使用DSP算法，或使用具有交替的正負組速度色散的分層基底編織，以便在相關頻率范圍內凈色散為零。
非線性失真源
非線性頻率響應和相位失真。與線性情況相同，非線性電路可以根據頻率和輸入信號電平使信號中的頻率分量失真不同的量。一旦放大器，鐵氧體組件和其他基于晶體管的設備達到飽和，就會發生這種情況。
互調失真。當兩個頻率分量輸入到非線性電路中時，會發生這種類型的幅度失真（有源和無源變化）。這在具有5G功能的設備中會發生，因為用于載波聚合的兩個信號會相互干擾（無源互調）。它也發生在用于操縱調制信號的任何非線性組件中，例如在RF信號鏈中的功率放大器中。
諧波失真。這是振幅失真的第二種類型。當信號輸入到飽和的組件或電路時，會發生這種情況。實際上，一旦輸入超過特定電平，這將導致信號幅度趨于平穩（稱為削波）。
模擬信號
諧波信號可有效抵抗線性頻率響應和相位失真。例如，濾波器或無源放大器電路（例如LC振蕩器）將引起相移并改變輸入信號的幅度，但不會產生其他諧波。由于信號僅包含單個頻率分量，因此色散失真也是如此。當信號沿著互連線傳播時，不連續性會使信號失真，從而有效地創建了疊加在原始信號上的較低幅度的信號副本。
所有非線性失真源都會在模擬信號中產生諧波。解決這些問題的唯一方法是在所有組件的線性范圍內工作并強制進行阻抗匹配。零件制造的缺陷以及微帶和帶狀線走線上的粗糙度也是造成毫米波頻率下非線性失真的原因。
數字信號
由于數字信號由多個頻率分量組成，因此它們對頻率響應和相位失真特別敏感。在線性情況下，這導致不同的頻率分量被延遲和衰減不同的量。結果是部件形狀發生變化。如果將不連續性和色散添加到混合物中，則信號的某些部分可能會延遲，從而有效地拉伸信號。在阻抗不連續處發生信號反射的情況下，當兩個不連續處之間的距離大于信號的空間跨度時，這可能導致重影。這也會在傳輸線上看到的數字信號中產生眾所周知的階梯響應。
非線性失真源還會在數字信號中引起諧波，從而在信號頻譜和時域產生獨特的變化。當輸入到放大器的信號切換速度快于放大器的響應速度時，在放大器的輸出中會看到互調失真。這種特定類型的失真稱為轉換引起的失真，因為它與輸入信號的轉換速率有關。