技术资讯 I 哪些原因会导致近端和远端串扰？

本文要点

在 PCB、集成电路和线缆组件中，最常被提及的串扰现象是接收端器件观测到的远端串扰。

带阻滤波器与带通滤波器作用相反：它们能滤除特定频率范围内的干扰信号。

带阻滤波器的传递函数可通过计算得出，也可以使用 SPICE 仿真器获得。

还记得那些需要插到墙面上的老式电话机吗？在电话系统数字化之前，通电话时偶尔能听到其他人交谈的微弱回声。这种杂音是因电话线缆中不同导线间的信号混合在一起而产生的，更专业的名词是“串扰”，资深电子设计师对此应当并不陌生。

当 layout 工程师讨论串扰时，通常不会刻意区分不同类型的串扰。实际上，串扰分为两种类型，且任何系统中的串扰都可能由两种原因引起。这两种串扰类型分别是近端串扰和远端串扰，它们都会在不同的互连信号之间产生不良干扰。

本文将深入探究近端串扰与远端串扰的差异，了解其产生原理及其与信号交互之间的相互作用。

不同类型串扰的比较

近端串扰和远端串扰都源于驱动信号将部分能量耦合到邻近的互连线中，无论是在印刷电路板（PCB）、电缆，还是集成电路（IC）中。串扰都是负面的，因为我们希望互连线路仅传输来自驱动组件的能量。一般而言，串扰无法被完全消除，只能将其强度降低至无法测量的水平。

要理解这类串扰现象，我们必须考虑测量串扰的位置以及串扰的传播方向。

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近端和远端串扰对比

近端串扰和远端串扰是根据测量位置的不同而分开定义的：在干扰源互联的驱动端附近测量到的串扰为近端串扰，干扰源互联的接收端附近的串扰则为远端串扰。

当信号传输时，串扰信号会从干扰源互连耦合到受干扰互连，而能够测量到串扰的具体位置取决于耦合机制及信号摆幅方向（上升沿与下降沿）。

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前向串扰与后向串扰

由于近端串扰是在受干扰互连的驱动端测量的，因此常被称为后向串扰。这是因为串扰信号必须沿着受干扰互连“逆向”传播（即朝驱动端方向，与干扰信号行进的方向相反）。同理适用于前向串扰（远端串扰）——该信号需正向传输至接收端才能被检测到。

受干扰互连上的串扰示例，分别在上升沿和下降沿产生后向与前向串扰。

前向串扰与后向串扰并非是特定的串扰类型，这两个术语仅指代信号在互连上传播的方向。后向串扰也可能表现为远端串扰，具体取决于信号跳变方向及干扰/受干扰互连的相对走向。

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互感与互容

所有串扰均通过感性耦合（寄生互感）或容性耦合（寄生互容）产生。感性串扰仅在干扰信号电平跳变时产生，因此高速信号会引发更强的串扰。容性串扰是由两条互连之间电位差变化所引发的。在描述互连的电路模型中，互感与互容用于描述干扰与受干扰互连之间的耦合效应。

在此横截面图中，可以观察到两条走线之间的寄生效应如何产生互容与互感，进而导致走线间噪声以串扰形式传播。

上图展示了如何在物理布局中抑制或消除串扰——我们需要解决受干扰与干扰互连之间的寄生耦合问题。在物理布局中降低串扰的方法包括：

在受干扰与干扰走线之间设置屏蔽结构，例如增加接地覆铜或过孔隔离带。

增大受干扰与干扰互连之间的间距。

通过加宽线宽或缩短与参考平面的距离来降低回路电感。

其他类型的串扰

除了近端与远端串扰，电信领域还有许多其他类型串扰。需注意，这些不同类型的串扰并无特殊耦合机制，干扰线路与受扰互连之间的噪声耦合始终通过电感或电容方式产生。和 PCB、集成电路或线缆组件中一样，串扰也可表现为前向串扰或后向串扰。以下是电信行业中常用于描述串扰的其他术语：

外来串扰（AXT）：该术语特指非屏蔽双绞线（UTP）中双绞线之间的串扰现象，但也可用于描述 PCB 中的串扰。外来串扰是指不属于同一线束的电缆之间产生的串扰。

近端串扰功率总和或远端串扰功率总和：这些术语指代所有串扰信号的总和功率。

功率和等效电平串扰（PS-ELFEXT）：该串扰等于 PS-FEXT 与 PS-NEXT 之和。

在这些术语中，只有“外来串扰”描述了涉及串扰的特殊情况。在 PCB 上，这种现象没有走线间串扰那么常见，且可能因多种原因不易被察觉。首先，电缆可能包含接地导线，这会在走线与其他电缆之间形成一定的隔离。其次，PCB 中的线缆通常远离可能引发串扰的走线，因此任何串扰都会非常微弱。最后，数字 PCB 中的信号电平往往过低，无论线缆位置如何，都无法产生强烈的串扰信号。

唯一的例外可能出现在极高频率场景下，例如承载大功率的无线/射频系统。此类系统中，频率足够高且线缆组件内的功率可能足以对邻近走线产生严重串扰。采用特殊线缆或连接器组件的射频系统通常需借助3D 场求解器进行仿真，以准确量化串扰并判定其何时会超出允许限值。