高速信号设计入门
高速信号传输线路的设计与优化
高速信号传输线路的设计与优化高速信号传输线路的设计与优化随着科技的发展，电子产品的更新换代越来越快，高速信号传输已经成为了电子设备设计中的一个重要部分。
高速信号传输可以有效提升电子设备的性能和可靠性，但同时也存在很多问题。
本文将从四个方面来介绍高速信号传输线路的设计与优化。
第一章传输线路的基本建模传输线路建模是高速信号传输的模拟设计的基础，是一个高度定量化问题。
它涉及到复数域上的微分方程与波动方程的求解，是基于各种传输线路结构的分布参数电路的模拟与仿真。
对于具体的信号传输线路而言，建模方法有多种，如有源传输线、单端传输线、双端传输线等，均需要进行相关的参数估计及电路分析。
第二章传输线路的信号完整性高速信号传输中，信号的完整性很重要，因为信号的传输要保证信号波形和幅度的准确性。
而传输线路的信号完整性又受到很多因素的影响。
有事噪声、反射、抖动、干扰等，而这些因素又与传输线路的等效电路参数、布线方式、易感干扰源和信号的生成方式相关联。
第三章传输线路的布线方式布线是高速信号传输中一个重要的环节，传输线路的布线方式直接决定了信号在电路中的传输路径，是整个系统中传输距离和损耗的主要来源。
在电路布线时，需要考虑信号的路径、走线的形状、电路的布局等因素，才能得到比较好的传输质量。
第四章传输线路的优化方法对于传输线路，存在很多优化方法。
其中比较常见的包括使用高速设计工具、采用优化的布线方式和使用更好的传输介质等。
此外，在线路设计和分析过程中，还可以采用三维电磁仿真软件进行模拟分析，以检测是否存在潜在的信号完整性问题，然后针对性地改进设计过程。
结论高速信号传输线路的设计与优化是一个有挑战性的任务。
设计者需要对信号的完整性、布线方式、线路参数等多个方面进行综合考虑。
在实际应用中，更多的需求和新的解决方案将推动设计者不断发掘、探索和创新。
SI知识--高速设计的基本知识
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Feecle 精品服务
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理想传输线
理想的传输线由两部分导体组成,导体的电 阻为零,无限延伸并均匀分布在横截面 中.
三种特性:
无限长; 信号在传输中不会变形; 信号在传输中不会衰减.
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怎样区分传输线
线足够的长使得信号在到达线的末端之前能够改 变它的逻辑电平. 当信号的上升时间小于6倍(一说4倍)信号传输 延时(电长度)时即认为信号是高速信号. 高速主要是看信号边沿和传输延时的比拟关系.
← w→
地平面 导线 介质 地平面
↓ h
t
h1
h
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几种PCB设计常用的传输线结构 (八)
不对称上下耦合
s ← w→
地平面 导线 介质 地平面
↓ t h1 h
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阻抗的控制
1,为什么要进行阻抗控制?
阻抗匹配不但可以消除信号的反射,还可以降低 串扰,EMI问题的发生.而阻抗匹配的前提是良好的 阻抗控制.
串扰与耦合机理
容性串扰的特点:
受害网络向远端和近端流动的电流的相位相反,向远端传播的电流 与侵害网络的跳变方向一致.
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串扰与耦合机理 危害:
波形畸变 噪声余量减少 上升时间变化 ......
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影响串扰的因素
信号的跃变时间(Tr ,Tf)与频率 器件的电压扇出 PCB上的线耦合 电源,地层与信号层间距 相邻信号层间距 线间距与并行走线长度 回流耦合路径 PCB材料 信号的耦合模式
高速设计要点
第一章基础知识1.1 时间与频率a、数字脉冲大部分能量集中在转折频率以下：F knee=0.5/T rFknee-转折频率，数字脉冲的大部分能量集中在该频率以下。
T r- 脉冲上升时间。
任何数字信号的重要时域特性主要由F knee以下的信号频谱所决定，从这一法则推导出数字电路的两个重要特性：1、任何在其Fknee频率以内具有一个平坦频率响应的电路，可以允许一个数字信号几乎无失真的通过。
2、数字电路在Fknee频率以上的频率特性对于他如何处理数字信号几乎没有影响。
b、电路的高频响应影响其对瞬时过程的处理c、电路的低频响应影响其对长期过程的处理d、电路对阶跃信号边缘的处理取决于Fknee频率。
1.2 时间与距离导线和印制电路走线中电信号的传播速度取决于其周围的介质。
传播延迟大小单位为皮秒/英寸（ps/in）。
传播速度单位为英寸/皮秒（in/ps）,即传播延迟的倒数。
a、传播延迟与介电常数的平方成正比。
b、信号在空气中的传播延迟是85ps/in。
c、印制电路板外层走线的传播速度比内层走线的快。
1.3 集总与分布系统传导系统对于输入信号的响应，在很大程度上取决于系统的尺寸是否小于信号中最快的电气特性的有效长度，反之亦然。
上升沿长度l =Tr（ps）/ D(ps/in) Tr- 上升沿时间，D- 延迟。
尺寸小于信号有效长度的1/6，则该电路时集总电路。
1.4 关于3DB和RMS频率的解释1、F3db=K/Tr Tr=K/F3db其中F3db=脉冲响应（特性曲线）下降3DB时的频率，Tr=脉冲上升时间（10%~90%）K=比例常数，取决于具体的脉冲波形，对于高斯脉冲，K=0.338，对于单极型指数衰减脉冲，K=0.352、当用RMS带宽，即等效噪声带宽时，计算上升时间Tr=K/Frms其中，Frms=RMS带宽，Tr= 上升时间，K=比例常数，K取决于具体的脉冲波形，对于高斯脉冲K=0.361，对于单极型指数衰减脉冲，K=0.5491.5 四种类型的电抗普通电容、普通电感、互容（mutual capacitance）、互感(mutual inductance)、1.8 估算衰减时间的更好方法L/R指数衰减曲线下的面积提供了衰减时间常数的一个精确值。
高速铁路信号系统的设计与调试方法
高速铁路信号系统的设计与调试方法高速铁路信号系统是确保高速列车运行安全和正常的关键技术之一。
在高速铁路建设中，信号系统设计和调试是一个复杂而关键的过程。
本文将介绍高速铁路信号系统设计与调试的主要内容和方法，以确保信号系统的可靠性和稳定性。
一、设计阶段在设计阶段，需要考虑以下几个方面来确保高速铁路信号系统的性能。
1. 定义系统需求：首先要明确信号系统的功能和性能需求，包括列车接口、信号灯显示、信号检测和故障处理等。
2. 路段划分和信号区段：根据铁路线路特点和列车运行情况，将铁路线路划分为不同的信号区段，并确定每个区段的信号间距和信号灯设置。
3. 信号系统结构设计：设计信号系统的结构，包括信号机设备、信号灯和信号线路等。
要考虑信号机的布置、通信方式、信息传输和处理流程等。
4. 频率规划和干扰分析：根据高速列车的行驶速度和通信需求，进行频率规划和干扰分析，确保信号传输的稳定和可靠。
5. 设备选型与采购：根据信号系统设计需求，选择合适的设备和系统，并进行采购和供应商管理。
二、调试阶段在信号系统调试阶段，需要进行一系列的测试和验证，以确保信号系统的正常运行和性能。
1. 性能测试：进行系统性能测试，包括通信延迟、信号灯显示和故障处理等功能的测试。
- 通信延迟测试：通过发送测试信号和接收响应信号的时间间隔，测试通信延迟性能。
可采用模拟和实际列车测试相结合的方法，模拟列车在不同速度下的行驶情况进行测试。
- 信号灯显示测试：测试信号灯显示的准确性和稳定性，确保信号灯可以正常显示不同颜色和指示内容。
- 故障处理测试：测试信号系统的故障处理机制，包括车载设备和地面设备之间的通信故障处理、设备故障自动报警和故障自动处理等。
2. 安全性测试：进行安全性测试，包括防护装置、故障排查和人为干扰测试等。
- 防护装置测试：测试安全装置能否及时有效地防护列车和脱轨事故。
- 故障排查测试：测试系统的故障排查能力，验证系统能够快速定位并解决信号系统故障。
高速电路设计指南--传输线分析
传输线效应
地弹 是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。以电路板“地”为参考，就像 是芯片内部的“地”电平不断的跳动，因此形象的称之为地弹（ground bounce）。当器件输出 端有一个状态跳变到另一个状态时，地弹现象会导致器件逻辑输入端产生毛刺。 由于输出转换引起的芯片内部参考地电位漂移就是地弹。
总之接收端电容负载的影响有两点： 1、使源端（驱动端）信号产生局部电压凹陷。 2、接收端信号上升时间延长。 在电路设计中这两点都要考虑。
传输线效应（续）
除终端电容外，测试焊盘、过孔、拐角、桩线等还会在均匀传输线的中途引入容性加载阻 抗 ，不管是末端端接电容还是中途的不连续性寄生电容，都将造成欠冲及延长上升沿时间的问 题，所以必须控制电路中的容性负载。 信号上升沿到达此电容时，这个并联在信号路径和返回路径之间的容抗会引起负反射。为 了尽量减小这种不连续的影响，并联阻抗越大越好，通常要求加载电容的容抗Zc远远大于传输 线特性阻抗Zo根据经验，定义 Zc＞5Zo 也就是说，电路中允许并联跨接的最大电容为： 有了阻抗的指标，我们就可以确定能容忍多大的电容量。假设用50欧姆来计算。即在这种 情况下，如果信号上升时间为1ns，那么电容量要小于4皮法。反之，如果电容量为4皮法，则 信号上升时间最快为1ns，如果信号上升时间为0.5ns，这个4皮法的电容就会产生问题。 总结： 1）PCB走线中途容性负载使发射端信号产 生下冲，接收端信号也会产生下冲。 2） 能容忍的电容量和信号上升时间有关， 信号上升时间越快，能容忍的电容量越小。
传输线效应（续）
（2）反射和振铃现象过程分析 信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。假设驱动端的输出阻抗是 10欧姆，PCB 走线的 特性阻抗为50欧姆。为了分析方便，假设远端开路，即远端阻抗无穷大。驱动端传输3.3V 电压信 号。我们跟着信号在这条传输线中跑一次，看看到底发生了什么。 为分析方便，忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响，只考虑阻性负载。图 2 为反射示意图。 第 1次反射：信号从芯片内部发出，经过 10 欧姆输出阻抗和 50欧姆 PCB特性阻抗的分压，实际 加到PCB 走线上的信号为A 点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。传输到远端 B 点，由于 B 点开路， 阻抗无穷大，反射系数为1，即信号全部反射，反射信号也是 2.75V。此时B 点测量电压是 2.75+2.75=5.5V。 第2次反射： 2.75V反射电压回到A点，阻抗由50欧姆变为10欧姆，发生负反射， A点反射电压为1.83V，该电压到达B 点，再次发生反射，反射电压-1.83V。此时 B 点测量电压为5.5-1.831.83=1.84V。 第 3 次反射：从 B 点反射回的-1.83V电压到达 A点，再次发生负反射，反射电压为1.22V。该电 压到达B点再次发生正反射，反射电压 1.22V。此时B点测量电压为 1.84+1.22+1.22=4.28V。 第4 次反射：........第 5 次反射：.. .. .. 如此循环，反射电压在 A 点和B 点之间来回反弹，而引起 B 点电压不稳定。观察 B点电压： 5.5V->1.84V->4.28V->……，可见 B点电压会有上下波动，这就是信号振铃。
高速铁路信号系统的设计与使用方法
高速铁路信号系统的设计与使用方法高速铁路信号系统是确保列车运行安全和高效的重要组成部分。
在高速铁路系统中，信号系统承担着向列车提供指示信号和保障运行安全的重要任务。
本文将探讨高速铁路信号系统的设计原理和使用方法，以确保高速铁路的运行安全和效率。
一、高速铁路信号系统的设计原理1. 信号所的分类高速铁路信号系统的设计由主要信号、辅助信号和区间信号三个部分组成。
主要信号通常由色灯信号和标志信号组成，用于向列车发出行车指示。
辅助信号主要包括速度限制信号和警示信号，用于提醒驾驶员注意车速和行车条件。
区间信号则用于划分列车运行的不同区段。
2. 信号系统的传输方式高速铁路信号系统采用数字化传输方式，以提高传输精度和可靠性。
传统的模拟信号系统存在信号衰减和干扰的问题，而数字信号可以通过纠错编码和差错校验来提高信号的可靠性和抗干扰能力。
3. 核心控制系统高速铁路信号系统的核心控制系统采用计算机或 PLC （可编程逻辑控制器）来实现信号灯的控制和列车位置的监测。
核心控制系统可以根据列车的位置和速度信息来发送合适的信号指令，保障列车的安全运行。
4. 信号灯的设计高速铁路信号灯通常采用LED（发光二极管）灯泡，其具有亮度高、寿命长等优点。
信号灯的设计需要考虑到不同天气条件下的可见性，确保列车驾驶员能够准确辨识信号的颜色和状态。
5. 信号传输通道的设计高速铁路信号系统的传输通道可以采用电缆、光缆或者无线电信号传输。
不同的传输方式具有不同的传输速率和传输距离，需要根据具体情况选择适合的传输通道。
二、高速铁路信号系统的使用方法1. 行车信号的解读高速铁路信号系统中的行车信号对列车驾驶员来说非常重要，驾驶员需要准确解读行车信号所代表的含义。
行车信号通常包括停车信号、开行信号、减速信号等，驾驶员需要根据信号的显示来调整列车的速度和行驶状态。
2. 跟随安全间隔高速铁路信号系统中的信号之间存在一定的安全间隔，驾驶员需要遵循这些安全间隔来保证列车的安全行驶。
高速铁路信号通信系统设计与优化
高速铁路信号通信系统设计与优化随着科技的不断进步，高速铁路交通成为现代化城市快速发展的重要组成部分。
高速铁路信号通信系统是确保高铁运行安全和提供高效服务的关键设备之一。
本文将探讨高速铁路信号通信系统的设计原理和优化方法。
一、高速铁路信号通信系统的设计原理1. 整体框架设计高速铁路信号通信系统设计需要考虑网络架构、通信设备以及信号传输等方面。
首先，要确定监控中心和各个车站之间的通信连线，选择适当的通信设备，以确保数据传输的稳定和可靠。
2. 通信传输技术在高速铁路信号通信系统设计中，常见的传输技术包括SDH（同步数字体系）、PDH（分时复用数字体系）、Ethernet以及LTE等。
根据具体需求和技术要求，选择合适的传输技术，以提供高质量的通信服务。
3. 信号系统设计高速铁路信号系统设计需满足列车运行安全和高效。
采用轨道电路和无线通信相结合的方式，确保列车之间的安全距离和运行速度的监测。
同时，还需要设计信号机、轨道检测设备以及信号解码等装置，以确保信号的准确传递和解析。
4. 系统安全设计高速铁路信号通信系统的安全性至关重要。
设计者需要考虑网络安全、数据保护和防止干扰等方面的问题。
采用加密技术、防火墙和安全策略等手段，有效保护系统免受黑客攻击和恶意软件的威胁。
二、高速铁路信号通信系统的优化方法1. 数据传输优化为了提高高速铁路信号通信系统的效率，设计者可以采用数据压缩技术、数据分包等方法。
将数据进行压缩，减少传输负荷，同时采用分包策略，确保数据的完整性和实时性。
2. 信号仿真与测试通过对信号系统进行仿真和测试，可以发现系统中的潜在问题和瓶颈。
设计者可以使用专业的仿真软件模拟高速铁路运行情景，并确定系统中可能出现的信号传输中断、延迟和误差等问题，从而进行优化调整。
3. 设备匹配和更新随着科技的不断进步，高速铁路信号通信设备也不断更新换代。
设计者需要对系统中的设备进行匹配和更新，以适应快速变化的通信技术需求。
高速数字设计教程-Ch1_基本知识(2)
高速数字系统设计2006年2月22日第一章基本知识1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）1-2 频率与时间1-3 时间与距离1-4 -3dB频率与上升时间1-5 集总系统与分布系统1-6 四种电抗1-7 高速数字系统中的电阻、电容和电感元件中国科大快电子学安琪21-2 频率与时间电路元件的参数是对频率敏感的，在不同的频率范围内会表现出来不同的特性。
任何一种电参数，其数值仅在一定的频率范围内有效。
某参数f中国科大快电子学安琪3几种无源元件的阻抗中国科大快电子学安琪4考虑两个极端情况：1. 一个频率为10-12的正弦波波形变化一个周期需要3万年。
若输入到TTL电路，其输出电压每天变化不到1µV。
任何一个包含这样低频率的半导体器件的试验都会以失败而告终。
在这样长的时间尺度来看，集成电路只是一小块氧化硅。
2. 一个频率为1012的正弦波信号周期为1ps，数字电路根本无法响应这个频率的信号。
一些电路参数发生变化。
如地线的电阻由于趋肤效应由0.01Ω（1KHz）变为1Ω，并且还获得50Ω的感应电抗。
中国科大快电子学安琪5中国科大快电子学安琪6到底多高的频率会影响到高速数字电路的设计呢？要处理的高速数字信号的频带宽度是多少？中国科大快电子学安琪7频域'时域频域中的每个谐波分量都是时域中定义在t ＝－∞到＋∞上的正弦波。
将所有频率的正弦波在时域中的每个时间点上进行叠加，就可以得到时域中的波形。
任何一个时域的信号，都可以用一系列相应的正弦波叠加而成。
中国科大快电子学安琪8频域时域0次＋1次谐波0次＋1次＋3次谐波叠加比较：频域 时域叠加比较：随着参与叠加的谐波分量的增加，方波的顶端更平滑，上升时间更短，越接近理想方波。
对于实际的波形，包含的谐波分量越多，或者说信号带宽越高，信号的上升时间就越小。
带宽的概念本身是一个近似。
中国科大快电子学安琪9要解决的问题考虑信号带宽的定义，或者说找到一个谐波分量，其上更高的谐波分量对信号的近似的影响可以忽略。
高速数字信号处理器的设计与实现
高速数字信号处理器的设计与实现随着科技的发展和应用需求的增加，对高速数字信号处理器的需求也变得越来越迫切。
高速数字信号处理器是一种能够高效处理数字信号的集成电路芯片，广泛应用于通信、雷达、声音处理、图像处理等领域。
本文将介绍高速数字信号处理器的设计与实现，包括其基本原理、设计过程和实现方法。
高速数字信号处理器的设计与实现需要考虑多个方面的因素，包括算法设计、硬件设计和软件实现。
首先，算法设计是高速数字信号处理器设计的核心。
通过对信号处理算法的研究和优化，可以实现高速、高效的信号处理功能。
在算法设计过程中，需要考虑信号采样率、时域和频域处理算法、滤波器设计和优化等问题，以满足实际应用的需求。
其次，硬件设计是高速数字信号处理器设计与实现的关键环节。
硬件设计包括电路设计、逻辑设计和模拟仿真等多个方面。
在电路设计中，需要选择合适的器件和电路拓扑结构，以实现高速、低功耗的信号处理功能。
在逻辑设计中，需要采用适当的逻辑门电路和寄存器配置，以实现信号处理算法的运算和控制功能。
在模拟仿真中，需要对设计的电路进行验证和优化，确保其性能和稳定性。
最后，软件实现是高速数字信号处理器设计与实现的重要环节。
软件实现包括编程语言选择、算法实现和系统集成等多个方面。
在编程语言选择中，需要根据具体应用需求选择合适的编程语言，如C/C++、Verilog/VHDL等，以实现高效的信号处理功能。
在算法实现中，需要将算法转化为相应的软件代码，并进行调试和优化。
在系统集成中，需要将硬件设计和软件实现进行一体化，以实现高速数字信号处理器的整体功能。
为了实现高速数字信号处理器的设计与实现，需要具备一定的专业知识和技能。
首先，需要具备信号处理和数字电路设计的基础知识，包括采样定理、时域和频域分析、滤波器设计等。
其次，需要具备编程和算法设计的能力，以实现信号处理算法的高效实现。
最后，需要具备电路设计和软件实现的技能，以实现高性能、高可靠性的高速数字信号处理器。
高速数字电路设计通关五部曲（一）：基本概念常见高速电路及特点
高速数字电路设计通关五部曲（一）：基本概念常见高速电路及特点电子万花筒平台核心服务中国最活跃的射频微波天线雷达微信技术群电子猎头：帮助电子工程师实现人生价值！电子元器件：价格比您现有供应商最少降低5%对于攻城狮而言，高速数字电路设计是大家都必须掌握的，那到该如何去学习这项技能呢？Don't worry! 已经给大家备好了高速数字电路设计通关五部曲，今天我们先来学习“第一曲”！基本概念1何谓高速数字信号高速数字信号由信号的边沿速度决定，一般认为上升时间小于4 倍信号传输延迟时可视为高速信号。
平常讲的高频信号是针对信号频率而言的，设计开发高速电路应具备信号分析、传输线、模拟电路的知识。
2微带线、带状线的概念2.1、微带线（ Microstrip ）2.2、带状线（ Stripline ）2.3、经验数据对 FR-4 材料（ε r 在 4.5~5 之间）：75Ω微带线，w≈ h；50Ω微带线，w≈ 2h；25Ω微带线，w≈ 3.5h；75Ω带状线， w=h/8 ；50Ω带状线， w=h/3。
2.4、同轴线（ coaxial cable ）2.5、双绞线（ twisted-pair cable ）2.6、等间隔的电容负载的影响传输线的有效阻抗和传输延迟将发生变化：对单个负载电容的情况也可以这样计算。
【问题】1、8kHz 帧信号为低速信号吗？2、阻抗与长度有关系吗？3、信号线两侧的地铜皮对信号线阻抗有影响吗？4、电源平面能否作为阻抗控制的参考平面？常见高速电路及特点1 ECL （ Emitter Coupled Logic ）电路特点：① 非饱和逻辑，克服扩散电容的影响，工作速度很高；② 射极跟随器输出，驱动能力很强。
③ 高电平 -0.88V 左右，低电平– 1.72V左右。
④ 根据速度不同有 10K( 包括 10H)、 100K(300K) 、 100M 、100EL系列器件可供选用2CML （ Current Mode Logic ）电路以 Philips 器件为例介绍其输入、输出。
高速设计知识点
高速设计知识点高速设计是现代电子技术领域中的一个重要分支，它涉及到各种高速电路和系统的设计和优化。
在高速设计过程中，需要考虑信号传输速度、信号完整性、时钟分配、布线规则等多个方面的知识点。
本文将介绍几个与高速设计相关的关键知识点。
一、时钟分配与优化时钟在高速电路中起到了非常重要的作用，它为各个模块提供了同步的时序信号。
时钟分配和优化是高速设计中的一个关键环节，它直接影响到高速电路的性能和稳定性。
1. 时钟树设计：时钟树是指将一个时钟信号从时钟源传输到目标模块的网络结构。
在设计时钟树网络时，需要考虑各个时钟路径的延迟、抖动和功耗等因素，并且要避免时钟偏斜和冗余。
2. 时钟缓冲：时钟缓冲是指将时钟信号放大与同步的过程，它通常使用锁相环（PLL）或延迟锁定环（DLL）来实现。
时钟缓冲的选择和配置要根据具体的设计需求来确定，包括频率要求、时钟分配方式和功耗等因素。
二、电磁兼容性（EMC）电磁兼容性是指电子设备在电磁环境下正常工作并与其他设备共存的能力。
在高速设计中，电磁兼容性问题尤为重要，因为高速信号的传输会产生较强的电磁辐射和抗干扰需求。
1. 地线设计：地线是高速电路中的重要信号回路，它不仅需要提供良好的信号回路路径，还需要提供较低的电阻和电感，以减少信号的反射和互耦。
2. 屏蔽与防护：高速电路往往使用屏蔽罩或屏蔽层来减少电磁泄漏和抗干扰。
在设计中，需要合理规划屏蔽的位置、形状和材料，以提高系统的电磁兼容性。
三、信号完整性在高速电路中，信号的完整性对系统的性能和可靠性具有重要影响。
以下是几个与信号完整性相关的知识点。
1. 端口匹配：端口匹配是指将信号源和接收器的输入/输出阻抗匹配。
通过端口匹配，可以减少信号的反射和功率损耗，提高信号传输质量。
2. 布线规则：布线规则是指在高速电路布线中需要遵循的一系列设计规范。
这些规范包括最小距离要求、分区规划、信号层规划等，旨在减少信号串扰和电磁干扰。
四、功耗优化功耗优化是高速设计中的一个重要方面，尤其是在移动设备和便携式电子产品中更加突出。
高速铁路信号系统设计与性能分析
高速铁路信号系统设计与性能分析随着现代交通技术的快速发展，高速铁路成为了现代城市间交通的重要方式之一。
高速铁路信号系统作为高速铁路设施的重要组成部分，对于确保列车行驶安全和运行效率具有至关重要的作用。
本文将对高速铁路信号系统的设计和性能进行分析，并探讨其对铁路运行的影响和挑战。
一、高速铁路信号系统设计高速铁路信号系统设计的目标是确保列车在运行过程中能够准确、及时地接收到信号信息，及时调整列车的运行速度和方向。
设计过程主要包括信号灯的设置、信号电缆的布置和信号控制中心的建设等。
1. 信号灯的设置高速铁路信号灯的设置需要根据列车的运行速度和行车方向进行合理规划。
通常，信号灯分为红灯、黄灯和绿灯。
红灯表示停车或注意，黄灯表示减速，而绿灯表示可以行驶。
信号灯的设置要确保信号传递的准确性和可靠性，以避免事故和延误的发生。
2. 信号电缆的布置高速铁路信号电缆的布置需要考虑到信号的传输距离和传输速度。
通常情况下，信号电缆会沿着铁路线路进行布置，并与信号灯和信号控制中心相连接。
同时，信号电缆的维护和保护也是设计过程的重要一环，以确保信号传输的稳定和可靠。
3. 信号控制中心的建设信号控制中心是高速铁路信号系统的核心，负责监控和控制列车的运行状态。
信号控制中心通常配备有先进的计算机系统和监控设备，以实时地获取列车的位置信息，并向列车发送指令以调整其运行速度和方向。
同时，信号控制中心还需要具备故障诊断和恢复的能力，以确保系统的稳定运行和故障的及时修复。
二、高速铁路信号系统性能分析高速铁路信号系统的性能分析是对其性能指标的评估和优化过程。
主要从通信延迟、数据传输速率和系统可靠性等方面对其进行分析。
1. 通信延迟高速铁路信号系统中，通信延迟是指信号传输从发送端到接收端所需的时间。
通信延迟的过大会对列车运行造成影响，可能导致列车的行驶速度和方向调整不及时，进而影响列车的运行安全。
因此，在设计信号系统时应尽量减小通信延迟，提高数据传输的效率和准确性。
高速信号采集系统的设计要点与技巧
高速信号采集系统的设计要点与技巧在各种现代电子设备中，高速信号采集系统被广泛应用于数据采集、信号处理和控制等领域。
设计一套高速信号采集系统涉及到多个方面，包括硬件设计、信号处理算法和电磁兼容性等。
本文将从这些方面展开论述，介绍高速信号采集系统的设计要点与技巧。
一、硬件设计在高速信号采集系统的硬件设计中，关键要点有以下几个方面。
1. 选择合适的模数转换器（ADC）ADC是高速信号采集系统中最重要的组成部分之一。
在选择ADC时，需要考虑采样率、精度、输入范围和功耗等因素。
高采样率和高精度通常是设计者首要关注的因素。
为了满足这些要求，一种常用的做法是采用并行ADC结构。
此外，还应注意ADC对输入信号抗干扰性能的要求，以及ADC的功耗和尺寸对系统整体设计的影响。
2. 布局与屏蔽高速信号采集系统设计中，布局与屏蔽起到关键作用。
良好的布局可以降低电磁干扰和串扰的影响，提高系统性能。
在布局时，应尽量避免高速信号轨迹和高噪声敏感区域之间的近距离排布，减少信号串扰。
同时，合理规划信号和电源地，避免地回路产生的共模干扰。
3. 驱动与缓冲在高速信号采集系统设计中，信号的驱动和缓冲也是需要考虑的重要因素。
驱动和缓冲电路可以对高速信号进行放大和保护，提高系统的稳定性和抗干扰能力。
常见的驱动和缓冲电路包括差分放大器、驱动放大器和信号线驱动器等。
设计者需要根据系统的需求选择合适的驱动和缓冲电路。
二、信号处理算法高速信号采集系统的信号处理算法也是设计中的重要方面。
下面介绍几点需要注意的技巧。
1. 时域和频域分析在信号处理过程中，可以采用时域和频域分析来获取信号的不同特性。
时域分析可以用来观察信号的波形和时序，频域分析可以用来观察信号的频谱分布和频率特性。
通过综合分析时域和频域的结果，可以更全面地了解信号的特性，并进行相应的处理和优化。
2. 数字滤波数字滤波在高速信号采集系统中起到至关重要的作用。
通过数字滤波可以去除信号中的噪声和干扰，提高信号的质量和准确性。
高速数字设计-第1章基础知识讲解
2020年10月2日
湖南大学电气与信息工程学院
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1.4 3dB与RMS频率
高速数字设计 High-Speed Digital Design
技术指标从模拟转换到数字时，通常要将频率响应转成上升时间
测量常用仪器为示波器。制造商通常给出的是： • 垂直放大器的最大工作带宽。 • 每个探头的最大工作带宽。
第1章 基础知识
高速数字设计 High-Speed Digital Design
1.1 频率与时间 1.2 时间与距离 1.3 集总与分布系统 1.4 3dB与RMS频率 1.5 4种类型的电抗 1.6 普通电容 1.7 普通电感 1.8 衰减时间的估算 1.9 互容 1.10 互感
2020年10月2日
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1.3 集总与分布系统
高速数字设计 High-Speed Digital Design
传导系统对于输入信号的响应，在很大程度上取决于系统的尺 寸是否小于信号中最快的电气特性有效长度。
计算公式：
l=Tr/D
其中，l=上升沿有效长度，in Tr＝上升时间，ps D＝延迟，ps/in
实例：p6
问：气特性有效长度反映什么？在传输线上占用的距离
湖南大学电气与信息工程学院
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1.2 时间与距离
高速数字设计 High-Speed Digital Design
重要结论 • 传播延迟与介电常数的平方根成正比。 • 信号在空气中的传播延迟是85ps/in • 印刷电路板外层走线的传播速度比内层走线要快。
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1.1 频率与时间
高速数字设计 High-Speed Digital Design
高速信号设计
高速信号设计
随着PCB上高速信号速率的提升，高速设计方案会在PCB设计中引入比较多的DRC，最常见的是K/L、K/V等DRC。
设计者允许这些DRC的存在，但是这些DRC的占比已经超过整板DRC的50%以上，他们的存在会降低ALLEGRO的运行速度，甚至延长某些操作的运行时间（例如：更新DRC，Database check等），还影响投板前的DRC排查效率和质量。
Allegro17.2的Via structure 功能，可以帮助设计者去除这些DRC，提升设计效率和设计质量。
步骤一：根据需求创建Via structure
设计者可以根据需求，创建不同的Via structure，Via structure可以包含您所需要的设计对象，例如Via、Shape（包括RKO）、Cline等。
Via structure 的创建方法很简单，找到如下的命令，按照Command栏的提示即可顺利完成。
下面举一些我们已有的例子，仅用于说明使用方法。
1. 芯片侧的Via structure样例，Via structure可以只是Cline，也可以是Via、shape、Cline的合成体。
具体包含的对象，由设计者决定。
2. 高速布线层切换的Via structure样例。
高速设计基本知识点
高速设计基本知识点高速设计是现代电子工程领域的一个重要分支，它涉及到许多关键的技术和概念。
本文将介绍高速设计的基本知识点，帮助读者理解和掌握这一领域的基础要点。
一、时序和延迟时序是指信号在电路中传播的速度和时间关系。
在高速设计中，我们需要注意信号的传播延迟。
延迟可以通过调整电路布局、使用特殊的信号线和缓冲器来控制。
二、信号完整性高速信号的完整性是指信号在传输过程中保持准确和可靠的能力。
为了保证信号的完整性，我们需要考虑信号的反射、干扰和噪音等因素。
常用的方法包括使用终端电阻、匹配信号线的阻抗、增加屏蔽层等。
三、功率分配和地面引入在高速设计中，电源和地面的布局对于系统的性能和稳定性非常重要。
合理的功率分配和地面引入可以减少电源噪音、提高信号完整性和抑制辐射干扰。
四、布线和层叠高速设计中的布线需要考虑到信号线长度、走线路径、相邻信号线间的间距等因素。
合理的布线可以降低串扰和延迟，提高系统性能。
层叠是指在多层PCB中将信号和电源层相互叠加，以达到电磁兼容和信号完整性的要求。
五、信号完美匹配为了确保信号在各个组件之间的传输准确和高效，我们需要进行信号完美匹配。
信号完美匹配包括对信号线的长度、阻抗、延迟等进行精确地控制，以保证信号在不同组件之间传输的匹配性。
六、引脚排布和设计规则在高速设计中，合理的引脚排布可以最大程度地减少信号线的长度和延迟，提高系统性能。
此外，合理的设计规则也是高速设计的关键要素，可以通过减小信号线长度、增加引脚功率等方式来提高系统性能和稳定性。
七、仿真和调试在高速设计的过程中，仿真和调试是必不可少的步骤。
通过仿真软件可以模拟和分析信号在系统中的传输，找出潜在的问题并进行优化。
而调试过程则是对设计的硬件进行验证和问题排查的过程。
结论高速设计作为电子工程领域的重要分支，需要掌握并熟悉其中的基本知识点。
本文介绍了高速设计中的时序和延迟、信号完整性、功率分配和地面引入、布线和层叠、信号完美匹配、引脚排布和设计规则以及仿真和调试等基本知识点。
高速数字信号处理器设计
高速数字信号处理器设计高速数字信号处理器是提升数字信号处理性能的重要平台之一，其在通信、图像处理、雷达信号处理等领域均有广泛的应用。
本文将介绍高速数字信号处理器设计的相关技术和要点，从硬件和软件两个方面分别进行阐述，以期为读者提供一定的指导和参考。
一、高速数字信号处理器设计的硬件实现高速数字信号处理器的硬件实现主要包括芯片设计和体系结构设计两个方面，下面将分别进行介绍。
1. 芯片设计芯片设计是高速数字信号处理器实现的核心，其能否满足性能要求和成本要求直接影响到整个系统的使用效果和市场竞争力。
芯片设计要考虑的因素较多，包括处理能力、功耗、面积、可靠性等。
一般而言，高速数字信号处理器的芯片设计需要采用先进的半导体工艺，如65nm、40nm、28nm等工艺，以保证其性能和可靠性方面的要求。
此外，采用了先进芯片制造工艺的高速数字信号处理器还可以在功耗和面积方面有更好的表现。
2. 体系结构设计高速数字信号处理器的体系结构设计也是非常重要的一部分，其根据应用场景和处理需求进行设计。
体系结构主要包含数据通路、内存系统、控制单元等部分。
在数据通路的设计上，需要考虑并行性、流水线等因素，以提高处理能力；内存系统的设计要考虑访问速度和容量等因素，以支持数据的有效存储和访问；控制单元的设计要实现对数据流的控制和调度。
二、高速数字信号处理器的软件实现高速数字信号处理器的软件实现主要包括算法设计和编译优化两个方面，下面将分别进行介绍。
1. 算法设计算法设计是高速数字信号处理器实现的关键，其直接影响到处理器的性能和功能。
在实际应用中，需要根据具体的应用场景进行算法设计。
算法设计的要点包括算法的复杂度、算法的并行性和可重构性等。
对于高速数字信号处理器来说，算法的并行性是非常重要的因素，可以有效提升处理能力。
同时，算法的可重构性也能够提高高速数字信号处理器的灵活性和扩展性，以适应不同的应用场景。
2. 编译优化编译优化是高速数字信号处理器软件实现的另一个重要方面，它可以减少代码执行时间和内存占用，提高处理器的性能。
高速数字信号传输线路设计与调试
高速数字信号传输线路设计与调试在高速数字信号传输线路设计与调试过程中，首先需要了解数字信号传输线路的基本原理和特点。
数字信号传输线路是一种通过传输线将数字信号从发送端传输至接收端的通信系统，其设计的主要目的是实现高速、稳定、可靠的数据传输。
在设计高速数字信号传输线路时，需要考虑以下几个关键因素：信号完整性、抗干扰能力、信噪比、延迟等。
首先，信号完整性是指传输的数字信号在传输过程中能够保持其原有的形态和信息内容，避免失真和误码的发生。
为了确保信号完整性，设计中需要合理选择传输线路的参数，如线路长度、阻抗匹配、信号速度等。
其次，抗干扰能力是指传输线路对外部干扰的抵抗能力，包括电磁干扰、串扰干扰等。
在设计过程中，需要采取一定的屏蔽措施和滤波措施，提高传输线路的抗干扰能力。
另外，信噪比则关系到传输信号的质量和稳定性，设计中需要尽量降低信号的噪声水平，提高信噪比。
而延迟则是指信号在传输过程中所经历的时间延迟，设计中需要控制传输线路的延迟，确保数据能够及时到达目的地。
在调试高速数字信号传输线路时，首先需要进行信号源的校准和标定，保证发送端和接收端的信号源输出一致。
其次，需要对传输线路的连接、接口、阻抗匹配等进行检查和调整，确保传输线路连接正确并且没有接触问题。
接着，可以通过示波器等工具对传输线路的信号进行分析和监测，检测传输过程中是否存在失真、噪声等问题。
最后，根据调试结果，可以适当调整传输线路的参数，如增加衰减器、调节阻抗匹配等，以提高传输线路的性能和可靠性。
总的来说，设计和调试高速数字信号传输线路是一项复杂而重要的工作，需要综合考虑信号完整性、抗干扰能力、信噪比和延迟等因素，以确保数据能够高速、稳定、可靠地传输。
通过合理设计和精细调试，可以提高传输线路的性能和可靠性，满足实际应用需求。
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r = (R + jwL)(G + jwC) Zo = (R + jwL) + (G + jwC)
为传播常数 为特征阻抗
由于R, G 远小于 jwL、jwC， 所以通常所说的阻抗是指：
Zo = L/C
从通解中可以看到传输线上的任意一点的电压和电流都是入射波 和反射波的叠加，因此传 输线上任意一点的输入阻抗值都是 时间、位置、终端匹配的函数，再使用输入阻抗来研究传输 线已经失去意义了，所以引入了特征阻抗、行波系数、反射系数的概念描述传输线。
并联端接匹配示意图
改进的并联端接匹配示意图 二极管端接匹配 在接受端放置肖特基二极管到电源或地。 优点：二极管限制了过冲（小于或等于 1V）；二极管可以集成在每一个接受器的芯片内 部；不需要直流通路来消耗直流功耗。 缺点：二极管匹配的缺点之一就是在线路上存在多径反射而影响到下一个数据的开始，因 此需要在变化频率下校对二极管的响应。
AC 匹配（RC 匹配） 影响信号完整性的因素 在高速情况下，传输线用分布参数的模型考虑，影响信号完整性的因素有以下几方面： w PCB层设置、PCB材料影响传输线特性阻抗； w 线宽、线长、线间距在高速、高密度PCB设计中的影响； w 温度、工艺等对设计参数的影响；
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w 器件工作频率、速度、驱动能力、封装参数等对信号质量的影响； w 多负载拓扑结构的影响； w 阻抗匹配 、负载 ； w 电源、地分割； w 趋肤效应； w 回流路径； w 接插件； w 过孔 ；
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?
导线 ? w? s ? w? ? t
介质
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地平面
E、微带线边对边耦合
地平 面 导线 介质
地 平面
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F、带状线边对边耦合
地 平面
导线 介质 地 平面
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?h t h1 h
地平面
导线 介质 地平面
G、对称上下耦合
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? t h1 h
特征阻抗的物理意义就是：入射波的电压和入射波的电流的比值，或反射波的电压和反射 波电流的比值。
电磁波在介质的中的传输速度只与介质的介电常数或等效介电常 数有关。比如FR4带状线 的典型传输速度为180ps/inch。
第号设计入门
源端反射系数： (Zs-Zo)/(Zs+Zo)
在电路设计中采用信号完整性的分析方法可以在原理图设计阶段及PCB布板阶段可以对板 上的关键信号进行评价和改进，从而增加了一次投板的成功率，缩短了开发周期。
第二节 信号的传输理论
要在设计过程中应用信号完整性的分析方法，必须首 先了解信号的传输理论。 PCB板上的信号传输速率越来越高，PCB走线已经表现出传输线的性质，在集总电路中视 为短路线的连线上，在同一时刻的不同位置的电流电压已经不同，所以不能再用集总参数来表 示，必须采用分布参数传输线理论来处理。传输线的模型可以表示如下图：
末端反射系数： (ZL-Zo)/(ZL+Zo)
源端反射系数计算公式与末端反射系数计算公式中的符号的意义如下： Zo 传输线路上的阻抗 Zs 信号源的内部阻抗 ZL 负载阻抗
从源端反射系数计算公式与末端反射系数计算公式可以看出，要消除反射，必须使下面的 公式成立：
(Zs-Zo)/(Zs+Zo)=0 (ZL-Zo)/(ZL+Zo)=0 解得 Zs=Zo ZL=Zo 这就是阻抗匹配条件，传输线上的信号只有阻抗匹配了，才能消除信号反射，从而解决信 号的上下过冲、震铃等不良现象。
对投板出来的PCB样板的阻抗测试。最终验证实际设计出的PCB的阻抗效果到底怎样，需 要对实物进行阻抗测试，现在比较常用的阻抗测试仪采用的测试原理如下，即向被测走线输出 一个阶跃信号，由于信号在阻抗变化点发生反射，测试仪通过采集到的不同点的反射，计算出 各点的阻抗。
下面是我们常用的阻抗测试示意图
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串扰模型：电感耦合模型（感性串扰）和电容耦合模型（容性串扰）。
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高速信号设计入门
感性串扰的特点： 受害网络与侵害网络之间互感的影响象一个变压器，侵害网络上的电流在受害网络上诱导 出与侵害电流相反极性的电流。受害网络向远端和近端流动的电流的相位相同，且信号跳变方 向与侵害网络相反。 容性串扰的特点： 侵害网络通过容性串扰到受害网络上，侵害网络上的电流在受害网络上诱导的电流后向与 侵害网络上的电流方向相反，前向与侵害网络上的电流方向相同。
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高速信号设计入门
二极管端接匹配 AC 匹配（RC 匹配） 优点：在于终端电容阻止直流电流，因此节省了相当可观的功率。选择适当的电容值会使 得终端的波形具有 最小的过冲和下冲并且是一个接近理想的方波。 缺点：一是要求了两个器件，在高密板时布局时无放置空间；二是在传输线上的数据会有 时间的抖动，依赖于前一个数据的模式
高速信号设计入门
几种主要数字信号缺陷产生的原因
w 电平没有达到逻辑电平门限 w 负载过重 w 传输线过长 w 电平不匹配 w 驱动速度
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w 多次跨越逻辑电平阈值错误 w 电感量过大 w 阻抗不匹配
高速信号设计入门
w 延时错误（信号建立时间不满足） w 负载过重 w 传输线过长 w 驱动速度慢
下面介绍几种阻抗匹配的方法：
串 联 端 接 匹 配 接收端开路或输入阻抗很大时放置RS=Z0 -R0（一般要小一点）在源 端。
优点：没有直流通路，因此不用备用的电源和没有高电平衰减，RS可以集成在芯片内部。 缺点：典型的情况下只能用于单负载结 构；如果时序允许的话，增加的负载要放在线的末 端附近；容性延时是并联端接的两倍。当Z0 和R0不好控制或者当一些过冲和下冲能够被容忍 的时候，通常RS<<Z0 -R0。
阻抗匹配的控制可以在原理图设计和 PCB设计两个阶段进行。在原理图设计阶段是通过加 匹配电阻、电容、电感的方法来进行阻抗匹配，通常我们在时钟等高速信号中串的33 欧姆的 电阻就是比较通用的一种用电阻进行始端匹配的方法。之所以加33 欧姆的电阻，是因为一般 的器件的输出内阻大约为10~20欧姆，而我们投的印制板的阻抗为50 欧姆左右，所以始端加 33 欧姆的电阻从而达到始端匹配的目的。另一方面在PCB设计中主要是通过调节信号传输线 的线宽、线间距、PCB的介质厚度、介质的介电常数来改变阻抗从而使得阻抗匹配。在PCB设 计阶段可以使用PCB工具软件上带的阻抗分析仿真工具进行分析仿真。
串联端接匹配示意图
并联端接匹配 匹配电阻在负载端连接到电源或地。 优点：和串联匹配相比只有一半的容性延迟。
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高速信号设计入门
缺点：增加了直流功耗；输出摆幅不再是全摆幅。改进方式是thevenin等效匹配，对TTL 3V偏 置 的 匹 配R1/R2=2/3； R1||R2=Z0。交流并联匹配是通过牺牲信号质量来换取直流功 耗的减小。
高速信号设计入门
传输线的阻抗不匹配对传输信号造成质量下降的的直接原因是由于反射造成的，由反射系 数公式 (ZL-Zo)/(ZL+Zo)知，电磁波沿信号路径传播，在阻抗不连续点产生反射。下图是 PCB上的走线最易产生阻抗比匹配的位置。
红 点是在PCB上阻抗不连续的位置 下面结合一个简单实例进行分析（源端带串阻的传输线）：
再经过2nS后，反射波传输到源端。在源端的二次反射电压为：
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高速信号设计入门
Ｖｔ２ ＝
（ｒｓ＋Ｒｓ）－Ｚ０ （ｒｓ＋Ｒｓ）－Ｚ０
Ｖｔ
＝
（１７＋３３）－５０ （１７＋３３）＋５０
２．５Ｖ
＝ ０Ｖ
这说明，从负载反射回源端的波，在源端被完全吸收。至此，整条传输线上得到 5V的电 压。
的阻抗计算公式 Zo = L/C 知传输线上的阻抗值将变大，反之当介质变薄时，阻抗值将变
小；线宽对阻抗的影响主要是通过改变传输线的分布电容来改变阻抗的，当线的宽度宽时，分 布电容大，则阻抗小，反之则阻抗大；线的间距对阻抗的影响主要指信号线与地线及电源之间 的距离，它们间的距离近将使阻抗值减小，反之则阻抗值增大；介质材料决定介电常数，当介 电常数变大时，传输线的分布电容增加，从而阻抗减小，反之则增大。
H、不对称上下耦合
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高速信号设计入门
第三节 高速信号阻抗匹配的调节方法
进行高速信号的设计阻抗匹配是不可或缺的，好的阻抗匹配不但可以消除信号的反射，还 可以降低串扰、EMI问题的发生。进行阻抗匹配的前提是良好的阻抗控制。
哪些因素对传输线的阻抗有影响？主要有以下几方面的因素： 走线类型、介质厚度、线 宽、线间距、介质材料等都对阻抗有影响，需要综合考虑这些影响。走线类型对阻抗的影响主 要是影响传输线的阻抗的连续性，经过过孔、有拐点的走线上的阻抗在相应点也必是非连续 的；介质的厚度是通过改变传输线的分布电容与分布电感从而影响传输线的阻抗值的，对于同 一个介电常数的介质来说，介质厚时，传输线上的分布电容值小，分布电感值大，由前面推导
信号的完整性（Signal Integrity）分析这个概念可能大家还比较陌生，目前在国内，电 路设计中引进信号完整性分析概念的公司寥寥无几，可能也就是以华为为代表的几个大公司开 展了这项工作。但是信号完整性的分析方法对于成功地进行高速电路的设计，特别是一次成功 完成设计，作用是巨大的。所以国外的各大电讯公司在电路设计中都采用了此种方法。信号的 完整性分析就是将信号以传输波的形态看待，用传输理论对信号进行分析。这是由于在高速信 号中，PCB上的走线之间的分布电容阻抗、电感阻抗以不能象低速信号那样忽略了，必须考虑 进去，所以必须采用传输理论对电路进行分析。平时我们在电路设计中采用的加22 欧姆或33 欧姆阻抗匹配电阻来改善信号就是用到了信号完整性的理论。
下面是几种PCB设计常用的传输线结构