一、什么是信号完整性？为什么研究信号完整性?
信号完整性（Signal Integrity，简称SI）：是电子设计中的一个关键概念，它指的是在高速数字电路中，信号在传输过程中保持其完整性和准确性的能力。随着电子设备的工作频率越来越高，信号完整性问题变得越来越重要。通常所说的信号完整性一般包含两个方面:
1）信号的传输：如何优化信号的传输路径使接收端的芯片能够获得正确的波形;
2）电源的供应：如何为芯片稳定工作提供稳定、低噪声的电源，即电源完整性（PI）。〉当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。〉当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题。
信号完整性分析就是应用传统的电路、传输线、电磁学、信号与系统等学科理论，电路设计中互连线的传输问题。说得直白一些，就是研究如何让驱动芯片发出的信号经过传输通道被接收芯片正确接收的学问。
信号完整性包含了三个要素:
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信号：是被传输的主体，我们首先要了解、熟悉信号的特性。
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芯片：分为驱动芯片和接收芯片，满足信号完整性的要求就是要实现信号在驱动芯片和接收芯片之间的正确传输。
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传输通道：是传输信号的介质，是信号所走的"路"。如何保证信号正确传输呢，就要为信号"修好路"、"搭好桥"。
广义的信号完整性，是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究： 互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。主要表现在：
信号完整性主要表现在时序、噪声和电磁干扰（EMI）三个方面:
噪声：包括振铃、反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、地弹、电源反弹、过冲、下冲、非单调性、色散和衰弱等现象。
**时序：**主要关注信号的延时、时钟偏移和时钟抖动等。
**EMI：**涉及设备在运行过程中产生的电磁干扰，以及对外部电磁干扰的敏感性（EMS）和静电放电（ESD）等问题。
**PCB中存在信号完整性问题时，可能无法按预期工作，通常表现为：**有时候工作有时候又不工作，在样板调试阶段工作正常，但在量产时却失败，在公司调试时工作，在客户现场又不工作，当前批PCB生产时工作，但在新的生产批次中又不工作等现象，可靠性不强；所以信号完整性，在高速PCB设计中是我们必须要考虑的一个问题。
初始设计的眼图，通过信号完整性优化实现了张开度更大的眼图，符合设计规范要求
二、SI常见概念分析：什么是高速电路和高速信号？
**高速电路：**数字逻辑电路的频率达到或超过50MHz，而且工作在这个频率之上的电路占整个系统的1/3以上，就可以称其为高速电路。
高速信号： 如果线传播延时大于数字信号驱动端上升时间的1/2，则可以认为此类信号是高速信号。
信号完整性可以分为狭义和广义，**狭义信号完整性主要关注传输线上的信号质量，广义信号完整性则既包括了侠义信号完整性，也包含电源完整性以及电磁干扰等相关的内容。**从狭义上来说通常我们需要考虑信号完整性的信号，也就是常说的高速信号。因此在判断一个信号是否会遇到SI相关问题的时候，首先是要确定这个信号算不算高速信号。
如何判断是否是高速信号：当信号上升沿时间小于2-6倍信号传输延时，我们可以判断其为高速信号。 这里面信号的上升时间可以通过IBIS模型或是数据手册获取（通常信号的上升时间取电平幅度值从10%上升到90%的时间范围，在IBIS模型中给出的上升时间取的是电平幅度变化值的20~80%）。而传输延时则可以按照总长度除信号传播速度进行计算，传输速度简易近似值约为V=C/sqrt(4)=6000mil/ns。
比如：某信号上升沿时间Tr=0.2ns，信号传输长度为2000mi，请判断此信号为是否为高速信号?
经换算信号传输时延Tpd=2000/6000ns=1/3ns，此时Tr<(1/3ns)*(2-6倍)，所以此信号为高速信号。
三、SI常见概念分析：什么是信号参考平面，如何理解?
信号的参考平面（Reference Plane） 是信号完整性（SI）分析中的一个重要概念，它指的是在电路设计和分析中用来作为基准的某个特定的物理位置或平面。参考平面通常用于定义信号的传播路径，以及评估信号在电路中的传输特性
概念重点区分： 参考平面一定要是GND吗？这困扰很多工程师。参考平面为信号回流提供返回路径，只要是导体就行，对于电气网络理论上并无要求。如DDR走线设计中，一般都用电源层作为DDR信号的参考平面。那么为什么大多数的设计仍然竭力寻求用GND作参考平面？
1、因为多数芯片设计中高速信号都是参考地网络，如果中途使用电源作为部分参考平面，不可避免会遇到跨平面分割的问题，可能造成信号阻抗不连续，进而影响信号质量;
2、则是避免EMI问题。信号在第一层时参考了GND平面，在第四层时，参考了POWER平面，信号回流最终通过电容耦合回到GND，形成了完整的回流路径。但由于去耦电容位置摆放的问题可能会增大信号的回流面积，从而影响信号质量，所以对于多数高速信号，参考GND是比较好的选择。
注意：
1）常见的参考篇平面为GND作为返回路径
2）电源平面也可以作为参考平面提供返回路径
3）电源平面会通过电容耦合到GND
四、SI常见概念分析：信号过冲、信号下冲
**信号过冲（Overshoot）和下冲（Undershoot）**是信号完整性分析中的两个重要概念，描述了信号在传输过程中出现的非预期的瞬态行为。
信号过冲： 过冲是指信号在达到其最终稳定值之前，首先超出了这个稳定值的一个瞬态现象。通常发生在信号上升沿或下降沿，当信号从低电平切换到高电平，或者从高电平切换到低电平时，由于电路中寄生参数的影响（如电容、电感），信号会在达到最终值之前先超过这个值。过冲可能导致接收器误触发或错误地解释信号状态，尤其是在数字电路中，过冲可能会引起逻辑判断错误。
**信号下冲：**下冲是指信号在从高电平切换到低电平时，首先下降到低于最终稳定值的一个瞬态现象。与过冲类似，下冲也是由于电路中的寄生参数，如传输线上的电感和电容，以及电路的非理想特性（例如，驱动器的上升时间和下降时间）引起的。下冲同样可能导致接收器错误地解释信号状态，影响电路的可靠性和性能。
为了控制过冲和下冲，设计者可以采取以下措施：
优化电路布局：减少传输线的电感和电容；
阻抗匹配：确保信号源、传输线和负载之间的阻抗匹配，减少反射。
使用终端匹配技术：如串联终端、并联终端等。
电源和地的稳定性设计：确保电源和地平面的完整性和稳定性。
五、SI常见概念分析：什么是传输线，如何理解
传输线： 简单来说，传输线就是提供信号传输和回流的一组导体结构。常见传输线有双绞线，同轴线，PCB中的微带线、带状线、共面波导;传输线是微波电路的基础，实际上，只不过是考虑了寄生参数的交流电路。
1、和直流不同，在高频情况下，即使不考虑辐射，一段理想的导线，两端的电流也不同，主要原因是两线之间的寄生电容引起的充放电，从而引起电流的变化；同理，即使是理想导体，两端的电压也不同，主要是线上寄生的串联电感引起的充放电导致的，导体损耗也引起部分压降。
2、对直流来说，通常研究的是稳态情况，瞬态的充放电不用考虑。而对于交流，因为电流本身是变化的，瞬态充放电对电流变化的影响就必须考虑；可以预见，频率越高、电流变化越快，则瞬态的充放电影响就越大，信号本身的变化导致的辐射进一步影响信号的变化，这种寄生的影响将更明显。所以实际设计时，就不得不考虑传输线效应问题。
对于信号走线来说： 传输线就是提供信号传输和回流的一组导体结构，**值得注意的时，研究信号传输回流时，要放弃我们的所谓的"地"概念，应该称为信号的返回路径，**只要是导体就行，就可以当返回路径，对于电气网络理论上并无要求，信号路径与返回路径是一种习惯性相对叫法。以下为ADS仿真传输线的传输和回流模型：
入射电流和返回电流大小相等，方向相反。返回电流是通过磁场耦合产生的，当具有多个返回路径时，返回路径与信号的距离很大程度上决定了返回电流的大小。ADS仿真实验：入射电流、临近线和参考平面返回电流，如图所示
