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技術(shù)專(zhuān)題
PCB設(shè)計(jì)中的信號(hào)失真：來(lái)源和解決方案
在有關(guān)信號(hào)完整性和電路分析的許多討論中，信號(hào)失真經(jīng)常被忽略。隨著越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開(kāi)始以更高的速度運(yùn)行并使用復(fù)雜的調(diào)制方案，您會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)失真已成為嚴(yán)重的問(wèn)題，加劇了誤碼率。失真源被認(rèn)為是阻止電氣互連中更快的數(shù)據(jù)速率的主要瓶頸之一。
在模擬信號(hào)中，尤其是在高頻率下運(yùn)行的模擬信號(hào)中，也可以看到相同的問(wèn)題。射頻/無(wú)線領(lǐng)域的更多設(shè)計(jì)人員將需要在設(shè)計(jì)，測(cè)試和測(cè)量過(guò)程中了解這些失真源。
線性與非線性信號(hào)失真
所有信號(hào)失真源都可以分為線性或非線性。它們?cè)谥C波產(chǎn)生方面有所不同。非線性失真源在信號(hào)傳播通過(guò)諧波源時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，而線性信號(hào)失真源則不會(huì)產(chǎn)生諧波。兩種失真源都可以改變構(gòu)成信號(hào)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(hào)中的頻率含量，不同的信號(hào)失真源將以不同的方式影響不同類(lèi)型的信號(hào)（模擬或數(shù)字）。取決于調(diào)制類(lèi)型，不同的失真源對(duì)調(diào)制信號(hào)也有不同的影響。
顯然，不同信號(hào)失真源的范圍很廣，我們無(wú)法詳細(xì)介紹每個(gè)源。但是，我們可以總結(jié)一些PCB跡線和組件中線性和非線性信號(hào)失真的重要來(lái)源。
線性失真源
頻率響應(yīng)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(huì)知道傳遞函數(shù)定義了線性電路中信號(hào)的相位和幅度的變化。電路，特定組件或互連的傳遞函數(shù)將施加相移并調(diào)整信號(hào)的大小。相位和幅度的這些變化是頻率的函數(shù)，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(lèi)廣泛的畸變?cè)窗ㄑ鼗ミB線的阻抗不連續(xù)性（例如，通孔和走線幾何形狀）和材料特性中的不連續(xù)性（例如，來(lái)自纖維編織效應(yīng)）。
色散失真。這是由于散布在PCB基板，導(dǎo)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(zhǎng)度較短時(shí)它并不明顯。基板中的分散會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)中的不同頻率分量沿跡線以不同的速度傳播。色散還會(huì)影響走線上的信號(hào)所見(jiàn)的損耗角正切，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。這導(dǎo)致脈沖伸展（即，群速度變得取決于頻率），類(lèi)似于在沒(méi)有色散補(bǔ)償?shù)某旒す馄髦邪l(fā)生的情況。
補(bǔ)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(fù)組速度色散的分層基底編織，以便在相關(guān)頻率范圍內(nèi)凈色散為零。
非線性失真源
非線性頻率響應(yīng)和相位失真。與線性情況相同，非線性電路可以根據(jù)頻率和輸入信號(hào)電平使信號(hào)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(shè)備達(dá)到飽和，就會(huì)發(fā)生這種情況。
互調(diào)失真。當(dāng)兩個(gè)頻率分量輸入到非線性電路中時(shí)，會(huì)發(fā)生這種類(lèi)型的幅度失真（有源和無(wú)源變化）。這在具有5G功能的設(shè)備中會(huì)發(fā)生，因?yàn)橛糜谳d波聚合的兩個(gè)信號(hào)會(huì)相互干擾（無(wú)源互調(diào)）。它也發(fā)生在用于操縱調(diào)制信號(hào)的任何非線性組件中，例如在RF信號(hào)鏈中的功率放大器中。
諧波失真。這是振幅失真的第二種類(lèi)型。當(dāng)信號(hào)輸入到飽和的組件或電路時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況。實(shí)際上，一旦輸入超過(guò)特定電平，這將導(dǎo)致信號(hào)幅度趨于平穩(wěn)（稱(chēng)為削波）。
模擬信號(hào)
諧波信號(hào)可有效抵抗線性頻率響應(yīng)和相位失真。例如，濾波器或無(wú)源放大器電路（例如LC振蕩器）將引起相移并改變輸入信號(hào)的幅度，但不會(huì)產(chǎn)生其他諧波。由于信號(hào)僅包含單個(gè)頻率分量，因此色散失真也是如此。當(dāng)信號(hào)沿著互連線傳播時(shí)，不連續(xù)性會(huì)使信號(hào)失真，從而有效地創(chuàng)建了疊加在原始信號(hào)上的較低幅度的信號(hào)副本。
所有非線性失真源都會(huì)在模擬信號(hào)中產(chǎn)生諧波。解決這些問(wèn)題的唯一方法是在所有組件的線性范圍內(nèi)工作并強(qiáng)制進(jìn)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(shù)字信號(hào)
由于數(shù)字信號(hào)由多個(gè)頻率分量組成，因此它們對(duì)頻率響應(yīng)和相位失真特別敏感。在線性情況下，這導(dǎo)致不同的頻率分量被延遲和衰減不同的量。結(jié)果是部件形狀發(fā)生變化。如果將不連續(xù)性和色散添加到混合物中，則信號(hào)的某些部分可能會(huì)延遲，從而有效地拉伸信號(hào)。在阻抗不連續(xù)處發(fā)生信號(hào)反射的情況下，當(dāng)兩個(gè)不連續(xù)處之間的距離大于信號(hào)的空間跨度時(shí)，這可能導(dǎo)致重影。這也會(huì)在傳輸線上看到的數(shù)字信號(hào)中產(chǎn)生眾所周知的階梯響應(yīng)。
非線性失真源還會(huì)在數(shù)字信號(hào)中引起諧波，從而在信號(hào)頻譜和時(shí)域產(chǎn)生獨(dú)特的變化。當(dāng)輸入到放大器的信號(hào)切換速度快于放大器的響應(yīng)速度時(shí)，在放大器的輸出中會(huì)看到互調(diào)失真。這種特定類(lèi)型的失真稱(chēng)為轉(zhuǎn)換引起的失真，因?yàn)樗c輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)。