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对信号是否可能产生明显波形畸变的理解，以下是在技术讨论中经常见到的观点：
“这个电路偶尔会出现一些故障，但设计频率不高，最高只有10MHz，所以不大会是信号质量的问题，应从电源噪声方面寻找故障原因。”
“这个电路涉及100MHz的高速信号，在走线穿越连接器区域时，有一段线的线宽不得不变窄。在测试时，发现波形出现振荡，估计和线宽变化这个因素有关。”
“这是我们第一次做1GHz以上的设计，应尽量选择昂贵的高速PCB板材，才能保证一板成功。”
“用1GHz带宽的示波器，可以测试800MHz频率的高速信号。”
以上观点均有一个共同点，它们都是从信号的周期频率出发而考虑问题。周期频率越高，越容易产生和信号有关的故障。 考虑周期频率，是正确的；但只考虑周期频率，是错误的。 那么，信号传输除了需考虑周期频率，还需要考虑哪些参数？
有两个信号，它们的周期频率相同，通过同一条信号链路传输，接收端是否能获得相同的波形呢？
〖讨论〗
回答自然是否定的。举一个简单的例子，熟悉FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）应用的工程师大多有调节I/O口的驱动能力（Drive Strength）和边沿爬升速率（Slew Rate）的经验。在代码不变，即I/O口输出信号周期频率不变的前提下，调节这两个参数，可以调整信号的边沿，以解决接收端波形上可能存在的一些问题。
这就说明，若要研究信号的特性，只关注周期频率是不够的。
图1.4以梯形波的形式，模拟了真实工程上可能遇到的两个信号。这两个信号的周期频率都是1MHz，但边沿时间分别是1ns和35ns。
图1.4 周期频率为1MHz，但边沿时间不同的两个信号
从时域图上，能得到以下信息：
· 这两个信号的周期频率都是1MHz。
· 这两个信号的周期都是1μs，即1μs传输1b（比特位）信息。
很明显，这两个信号在波形边沿时间上是存在差异的，但在时域图上，无法确定这个差异对信号传输有什么影响。那么，我们研究信号的边沿时间有没有实际意义呢？
这是有实际意义的。打个比方，A和B两个同班同学，期末考试语文、数学的总分都是180分，那能不能代表这两个同学学习成绩完全相同呢？显然不能。例如，A同学语文100分，数学80分；B同学语文80分，数学100分。我们只有知道了构成总分的每个学科的分数，才能确定这两位同学的薄弱学科。显然，A同学的数学需要加强，而B同学的语文需要加强。
回到信号传输上，同理，我们必须知道信号的能量构成成分，才能深入理解这两个信号在传输上可能存在的差异。要弄清信号能量的构成，研究方法是进入频域。
图1.5是对周期频率为1MHz，边沿时间分别为1ns和35ns的两个信号做的频谱分析。为了简单而清楚地说明问题，频谱分析时没有考虑能量的旁瓣。
图1.5 周期频率为1MHz的两个信号的频谱图举例
从频谱图可以看出，在时域图上周期频率相同的两个信号，在能量的频率分布上，差异可以很大。对边沿时间为35ns的信号而言，从11MHz开始，其能量衰减速度明显快于边沿时间为1ns的信号。
那么，这种在频域上能量分布的差异，对设计有什么影响吗？
图1.6是笔者曾经处理过的一条存在故障的高速链路的损耗曲线图。该曲线的意义是，清楚地表现了在每个频点处该信号链路将会产生的损耗值。例如，信号的13MHz频率分量将出现约-7dB的能量衰减，信号的16MHz频率分量将出现约-4dB的能量衰减。
图1.6 某PCB信号线的损耗随频率变化曲线图
需要说明的是，为了配合本案例进行说明，这里修改了横轴和纵轴的刻度单位，即真实的信号损耗曲线的坐标轴上的刻度与本图是有区别的。
由图可知，由于PCB设计中的某些不良因素，该信号在13MHz处有一个较大的、突变的损耗，从约-3dB突然变到约-7dB。若该信号链路正是本案例中的两个1MHz信号将要传输的信号链路，那么会对哪个信号产生影响？
对周期频率为1MHz、边沿时间为35ns的信号而言，从11MHz开始，本身能量衰减迅速，到13MHz时，能量已经很小。所以，该链路在13MHz处的衰减突变，对信号的影响可以忽略。但对周期频率同为1MHz，边沿时间却为1ns的信号而言，本身在13MHz处能量较大，因此受到的影响就会比较显著。
基于以上分析，可以得出一个结论： 信号边沿时间包含信号在频域中的能量分布信息，在面对不完美的PCB设计时，该信息对判断设计是否存在风险，有着重要的意义。
案例1.2阐明了一个观点，当PCB设计不完美，某些信号链路出现了不如意的地方（如第3章介绍的阻抗不连续），信号的传输却未必受影响。那么，哪些信号可能会受到影响呢？这和信号的能量在频域中的分布方式有关，而能量分布方式又和信号的边沿时间紧密相关。
以图1.7所示信号的时域波形为例进行讨论，分析信号在频域中的能量分布与信号边沿时间的关系。
图1.7 信号的时域波形示例
用一阶RC模型来拟合真实的信号边沿，若定义信号边沿时间为 T r ，构成信号边沿的主要能量分布于频率 F 之内，则有
T r =2.2× R × C =2.2/(2π× F )=0.35/ F
F =0.35/ T r
信号的能量在频率超过0.35/ T r （0.35除以 T r ）之后，会进入快速衰减阶段。 0.35这个系数和采用的拟合模型有关。若采用其他模型拟合信号边沿，系数有所不同，但大致分布在0.35～0.5。工程上，多数情况下取0.35作为系数。
图1.8是周期频率为1MHz、边沿时间为35ns的信号的能量频谱包络图。由于该信号高、低电平的占空比为1:1，所以偶次谐波为0，只能看到奇次谐波。
图1.8 周期频率为1MHz、边沿时间为35ns的能量频谱包络图
包络线分为两段：
第一段的衰减速度是-20dB/十倍频（频率每提高为10倍，能量衰减-20dB），而由于-20dB/十倍频等于-6dB/倍频，这个关系在数学上等于-1的斜率，因此这一段经常被称为能量以-1的速度衰减。
第二段的衰减速度是-40dB/十倍频（频率每提高为10倍，能量衰减-40dB），由于-40dB/十倍频等于-12dB/倍频，所以这一段经常被称为能量以-2的速度衰减。
可以得出结论，包络线的两段，前一段衰减速度偏缓，而后一段衰减速度较陡。这两段曲线的分界线，大致在0.35/ T r 处。本例中， T r =35ns，0.35/ T r =10MHz，理想分析中偶次谐波为0，所以转折点约在图中11MHz处。
在高速电路理论中，0.35/ T r 所定义的转折点，经常被称为有效频率、转折频率，是一个重要的转折点。 当然，需要说明的是，并不能理解为，在高于0.35/ T r 的频段，信号就没有能量分量了。事实上，能量仍然存在，只不过衰减速度很快，在研究信号传输的过程中，大多数情况下，这些快速衰减的能量可以被近似忽略。
以上所述就是信号边沿时间对信号传输有很大影响的原因。
某设备的电路板上存在一些高速信号，其中有一对266Mbps的差分对，信号链路上有如下不完美之处。
在图1.9中，差分对信号链路上出现了跨参考平面分割的情况。层叠结构上，266Mbps差分对走线在第6层，距离最近的参考平面是第7层电源层。理想情况下，最好将该信号层移到完整地平面层附近，以便实现连续的回流路径。但该电路板受限于信号高密度、低成本的设计要求，无法实现这一点，只能将该层信号层设置于存在分割的电源层附近。
图1.9 高亮的信号存在参考平面跨分割的情况
〖讨论〗
随着电子设计技术不断成熟化，对比二十年前的研发，今天的研发在获取技术资料方面已经便利了很多。所以，面对一个具体的设计，不论是电源、时钟、高速接口，还是特定某个CPU，都可以找到很多设计指南。资源多了，看似设计时可以一马平川，但实操起来往往并非如此。限制之一来自苛刻的设计要求，不少设计无法做到在严格满足所有设计要求的前提下，还能完美地设计出来。
当设计无法完美，需要做的就是判断和取舍。要弄清楚存在瑕疵的设计可能有哪些潜在隐患，以及这些潜在隐患是否影响电路功能的实现。
本案例中，信号回路跨分割是一个设计瑕疵，在没有找到好的、低成本的解决方案时，首先需要弄清楚跨分割可能存在的潜在问题：
（1） 阻抗变化的问题。 在跨分割处，信号到回流路径的距离增大，使耦合容性减小，回路感性增大，最终导致跨分割处阻抗增大。
（2） EMI的问题。 信号跨分割时，由于回流路径增大，跨分割处等效存在高阻抗，会产生共模电压干扰源，构成潜在的EMI（电磁干扰）问题。
（3） 能量损耗的问题。 对接收端而言，信号传输中有用的能量是差模能量。若传输路径（包括回流路径）存在不连续的因素，会引入非平衡，其结果是产生模态转换。也就是说，一部分差模能量会转变成对接收端无用的共模能量，使有用的差模能量减小，这在损耗曲线上往往表现为在某个频段出现快速能量衰减，类似图1.6的表现。
（4） 串扰的问题。 由于回流路径增大，跨分割的信号有可能会受到周围其他信号回路的影响，或影响周围其他信号的回路，产生串扰问题。
接下来需要研究的是，对于本案例，哪些潜在问题可以忽略。
对于EMI的问题，一般而言，对于层数比较多的电路板，当跨分割的情况发生在内层，相邻层有平面层，而设备又是金属外壳，具备较好屏蔽能力，则除非结构上出现明显设计缺陷，否则，板内内层信号出现一小段跨分割的区域，并不会造成EMI超标问题。所以这一潜在问题，在本案例中可以忽略。
对于能量损耗的问题，短距离跨分割所引起的能量损耗，在10Gbps速率以上的应用中是需要考虑的，但对266Mbps速率的应用，其影响可以忽略。
对于串扰的问题，本案例中，跨分割的是差分对信号，本身有较强的抗干扰能力，而且其附近近距离并没有强干扰源和敏感对象，所以这一问题也可以忽略。
接下来，重点分析阻抗变化的问题。
本案例的层叠结构见表1.1。
表1.1 本案例的层叠结构
续表
本案例信号密度高、信号线数目多。在设计中，高速信号主要布线在第3层，以便靠近第2层完整地平面，也有少部分高速信号布线在第6层，靠近第7层电源平面。因为电源平面上有多种电源，所以第7层存在分割。这导致第7层附近的第6层信号层存在跨分割的风险，本案例的情况即是如此。
本案例第6层的266Mbps差分对信号，在走线上有一小部分映射到第7层时，正好处于平面分割处，所以回路不连续。在不连续的区域，信号的驱动路径距离回流路径更远，容性减小而感性增大，则这一区域[宽度为50mil。mil（密耳）：长度单位，1mil=0.001in≈0.025mm]的阻抗会增大。假设该差分对信号的阻抗在跨分割区域处会从90Ω增大到135Ω，则其对信号质量的影响主要是通过阻抗不连续造成的反射而造成的。
用图1.10所示拓扑结构模拟这种变化，其中A、B点代表阻抗突变点。
图1.10 走线阻抗变化示意图
信号反射系数计算公式为
ρ =( Z 2 -Z 1 )/( Z 2 + Z 1 )
式中， Z 2 为走线遇到阻抗不连续点时，不连续点之后的阻抗； Z 1 为不连续点之前的阻抗。
在A点， ρ =（135-90）/（135+90）=0.2。
在B点， ρ =（90-135）/（135+90）=-0.2。
A、B两点形成了互为相反数的反射，当间距足够小，两次反射可以近似抵消；当间距大到一定程度，两次反射在空间和时间上都相距较远，对波形的影响将无法抵消。
图1.11中，（a）图是假定A、B之间阻抗仍然为90Ω，即阻抗连续的情况；（b）图是按照本案例实际情况，A、B之间阻抗为135Ω，即阻抗不连续的情况。对比两图，可看出波形差异很小，这也验证了以上的分析。
图1.11 当阻抗不连续的区域宽度较窄，对比阻抗连续和阻抗不连续的波形
但当A、B之间间距增大，如变为1in时，波形对比如图1.12所示。
图1.12 当阻抗不连续的区域宽度较宽，对比阻抗连续和阻抗不连续的波形
对比图1.12（a）和（b），可以看出波形差异明显。对于图1.12（b），即A、B间出现了宽度达1in的阻抗变化区域时，波形呈现明显过冲。这个现象进一步地验证了上文的分析，当A、B两点形成互为相反数的反射，在间距足够大的情况下，两次反射无法近似抵消，则表现出明显波形畸变。
一般而言，阻抗不连续的区域所对应的信号延时，若超过信号10%～90%边沿时间的1/6，则波形的畸变程度会比较明显，需引起重视。 但应说明的是，这个经验不能被视为绝对的分界线，若认为小于1/6则一定没有问题，大于1/6一定有问题，这样的理解就错了。
案例1.2分析了信号边沿时间的影响，案例1.3分析了阻抗不连续处区域宽度的影响。再回到本节提出的“信号是否可能产生明显波形畸变”这个问题时，这两个影响因素需同时考虑，缺一不可。
某设计包含若干对USB 2.0差分对，数据传输速率为480Mbps，是否一定要设计为阻抗控制电路板？
〖讨论〗
类似这样的问题很多，例如设计速率比较高，是否要使用更昂贵的高速板材，是否要使用背钻工艺，是否不能引入走线分叉，等等。
这类问题的分析思路，和案例1.3完全相同。也就是说，分析并罗列出在当前设计情况下所有的潜在隐患，然后逐一分析。
本案例中，既然研究对象是“是否需要阻抗控制”，那么问题当然与阻抗连续性有关。如案例1.3所述，阻抗连续并非必须。本案例中，USB 2.0差分对信号边沿时间约为600ps，仅从信号质量角度考虑，若USB 2.0走线长度较短，对应的走线延时小于100ps，即走线长度不超过0.6in时，PCB设计不做阻抗控制也是可以的。
本节已经分析了信号边沿时间、阻抗不连续的区域宽度对信号质量的影响，那么信号的周期频率对信号质量是否有影响呢？
〖讨论〗
回答是肯定的。
在信号完整性理论中，经常将信号波形用梯形波拟合，经数学推导后，在频谱上会出现两个转折点，第一个转折点所在的位置和信号脉宽 τ 有关，第二个转折点所在的位置和信号边沿时间 T r 有关。现在比较A和B两个信号，假定这两个信号占空比相同，A信号周期频率低于B。由于假定信号占空比相同，脉宽 τ 之比就等于信号周期 T cycle 之比。图1.13对比了A和B的频谱包络线。
图1.13 A和B两个信号频谱包络线的对比
分析得知：
①第一个转折点与周期频率有关。在占空比一定的条件下，周期频率越高，该转折点所在的频点越高。
②第二个转折点与信号边沿时间有关。边沿时间越短，该转折点所在的频率越高。
③这两个转折点所在的频率越高，信号包含的高频分量成分越多，信号波形越容易受到不理想因素的影响。
④若考虑信号的占空比变化的因素，可知，信号高、低电平脉宽差异越大，则低频部分产生的干扰越小。低频部分产生干扰最大的情况，出现在高、低电平占空比等于0.5时。所以，通常时钟信号产生的干扰远远大于同频率下数据信号产生的干扰。
结论：综合本节的几个案例可知，信号质量和信号的边沿时间、走线过程中不连续部分的走线长度、信号周期频率等都有关系。
请读者思考一个问题。
本节提到，0.35/ T r 是一个重要的转折点，在高于0.35/ T r 的频段，信号能量衰减速度很快，在大多数信号质量分析中可以被近似忽略。
那么，在EMC（ElectroMagnetic Compatibility，电磁兼容）分析中，高于0.35/ T r 频段的能量，是否同样可以被近似忽略呢？