訊號完整性是類比世界的‘實境秀’

如果到現在還沒有聽說過訊號完整性(SI)的話，你就不要在工程師這一行混了。在最近的DesignCon大會上，這是參展商與論文的主要話題，訊號完整性這個名詞在《電子工程專輯》和相關網站上非常風行，這個問題消耗了工程師的大量時間。我們聽過電影《北非碟影》主題曲《時光流逝》中的歌詞：‘一個吻就是一個吻，一聲嘆息仍是一聲嘆息’。但在我們的世界中，那個看似簡單的訊號路徑實際上並非這麼單純，它是一條被偽裝了的傳輸線，充滿複雜性且相當微妙。

整個設計產業會越來越重視訊號完整性，是有充分理由的。因為在概念上，純數位訊號傳輸是以GHz和更高的速率，透過真實世界、真實媒介和真實的通道進行轉換，現實世界的‘類比’特性會造成失真、噪音、散射、非線性及其它瑕疵。一方面，我知道它會加大設計難度；另一方面，作為一名以類比設計為主的工程師，我又稍微感到有點愉快，並且認為，“你以為你可以逃避我們了─好呀！但你不能！”但是，因為把快樂建立在別人的痛苦上(幸災樂禍)並非幸福的長久之計，我只好繼續向前。

在所有的電路設計中，有關訊號完整性的種種問題屢見不鮮。就在上個世紀末，哥倫比亞大學物理學教授Michael Pupin利用了James Clerk Maxwell和Oliver Heaviside深奧的電磁理論，並開發了加載線圈，延長了音訊頻電話電纜的實際範圍。未加載電纜的工作距離大約只有1,000英呎，正確加載的電纜有效距離卻是前者的3到4倍(諷刺的是，自開始應用後50年，電纜仍具有處理數位化訊號的能力，但線圈卻扮演著破壞者的角色，它需要複雜的等化方案，但這又是另一回事了)。目前的訊號完整性挑戰包括有杜比降噪、RIAA錄音等化與FM預加重及去加重等，隨著各種新興多媒體應用層出不窮，對電子設計工程師提出的各種要求也日新月異。其它的技術工程師或許已經習慣讓自己適應這些源源不絕的挑戰，或正好相反，他們可能仍無法適應。

但是，從本質上來看，過去應對這些挑戰主要仍是類比、RF與通訊工程師的責任。數位電路和系統設計工程師除了需要粗略地瞭解消除噪音和保持電源軌乾淨的技術基礎，並能良好地實踐以外，他們不必擔心太多的訊號完整性問題。

相較之下，今天的每一項設計，幾乎都可能由於訊號完整性問題成為被抨擊的對象。這就意味著設計工程師必須運用經過驗證且精確的模型，在前期模擬上花費更多時間。每一片PCB上的走線不僅代表著短的銅互連，它們同時是在佈局、拓樸與佈線方面都相當引人關注的傳輸線。在一項完整的設計中，IC裸晶、引線與封裝也發揮了重要的作用，它們彼此間具有可能會產生極大相互影響的關聯性。甚至基本旁路電容及其模型的選擇和佈局也相當重要。測試設備、探棒和相關的程式也必須獲得更新。

這些麻煩的問題都不斷讓工程師不時回想起全類比時代的黑膠唱片和播放方式，畢竟那個時代一切都相當清晰且直觀。但是，因為那個世界已經一去不回了，所以，今天的設計工程師們，要良好應對這些問題的最終解決之道，最好是重新學習你解決訊號完整性問題的技能，否則，你可能會發現，在一項專案中，你的工作會變得更困難，或者根本就無法勝任。

作者：Bill Schweber