什麼是信號完整性?

2. 反射

在上文中提到了因阻抗不匹配而引起信號反射，為了解釋信號反射我們可以用光在不同介質中傳播來形象的介紹，光從空氣射向水面或者玻璃時，有一部分光被反射，另一部分光會折射進入另一種介質，如下圖：

同樣的，信號也一樣，如果傳輸線的阻抗不一致，在阻抗跳變的地方，一部分能量繼續傳輸，一部分能量會被反射回去，如下圖:

反射係數的表達式為：

反射會造成信號出現過衝(Overshoot)、振鈴(Ringing)、邊沿遲緩(回勾現象)。過衝是振鈴的欠阻尼狀態，邊沿遲緩是振鈴的過阻尼狀態。下圖為信號反射的三種表現形式：

2.1過衝和下衝

過衝指的是第一個峰值或谷值超過設定電壓值，下衝是指下一個谷值或峰值，對於上升沿來說,過衝是指最高電壓;對於下降沿來說,過衝是指最低電壓。如下圖所示：

過衝嚴重時會引起保護二極體工作，導致過早的失效，嚴重時還會損壞器件。而過分的下衝，能夠引起假的時鐘或數據的錯誤，這樣可能會給器件帶來潛在的累積性傷害，縮短其工作壽命，從而影響產品的長期穩定性。一般信號的發送端的阻抗較低，信號接收端的阻抗較高，如果發送端的與接收端的阻抗不匹配，發送的信號會在發送端和接收端之間來回反射，從而導致信號的反射出現過衝和下衝。

解決過衝的一般方法是匹配，或叫端接( Termination)。匹配的中心思想是消滅信號路徑端點的阻抗突變。

下圖是沒有終端電阻和有終端電阻的波形圖對比：

2.2振鈴

上面小節介紹了過衝和下衝，如果過衝和下衝反覆就會出現振鈴現象，過衝往往伴隨有振鈴,或者說,過衝是振鈴的一部分。振鈴產生的第一次峰值電壓,就是過衝。為什麼要將過衝和振鈴分開來講，是因為他們的危害不同，振鈴除了具有過衝的危害之外還有它的波動可能會多次超過閾值判定電壓造成誤判，並且會急劇地增加功耗,影響器件壽命。下圖是振鈴產生的原因：

下面是振鈴的波形的表現形式：

振鈴現象的根本原因是由信號反射引起的，其本質仍然是阻抗不匹配，所以減小或者消除振鈴的解決方式跟處理過衝和下衝無異，必須要進行阻抗匹配端接。

在實際的應用場景中，會遇到多種信號完整性問題，典型問題有如下幾種：反射、串擾，電源/地噪，時序等。其中，發射和串擾是引起信號完整性問題的兩大主要原因。