前言

从结绳记事、烽火示警、飞鸽传书到电报、电话、有线网，再到现在的卫星通信、5G通信，从传输抽象的符号、简洁的文字、有限的语音到实时高清影像，可以说人类的发展史，亦是一部信息传输技术的进化史。如今，我们生活在一个快速互联互通的时代——全球有超过100亿台移动计算设备相互连接，并且每天都持续增加近百万台移动计算设备。小到手机、智能手表、冰箱、洗衣机、电视，大到汽车、高铁、飞机、空间站，以电或者部分以电作为信息媒介的设备无处不在。从实现简单控制主频MHz级的8位单片机、74系列的简单逻辑电路，到使用GHz多核CPU、GPU、千万门级可编程逻辑器件（FPGA），为满足信息交互的需求，电子系统越来越复杂，传输和处理的信号频率也越来越高。随着物联网（IoT）以及万联网（IoE）的发展，海量、高速的数据存储、传输和处理需求，必将推进电子系统出现井喷式发展。

作为电子产品的使用者，相信很多人都听过如下言论：

①手机要买××品牌，不要×××，×××的质量太差，使用时老出问题，返修率高；

②攒计算机主板要买××品牌，虽然它贵点但比其他杂牌质量好，基本不会出什么问题；

③无线路由器要买××品牌，国内知名大厂，质量和性能有保障；

……

同类型的产品，采用一样的核心芯片、元器件，一样的PCB，甚至一样的外观尺寸，为什么不同品牌的电子产品留下的口碑差距这么大？

而作为电子系统的设计者，几乎每一位工程师都会遇到下述问题：

①为什么我设计的模拟信号采集系统，采集的数值上下波动这么大（噪声）？

②我设计的系统通信时误码率为什么这么高，经常导致链路中断（阻抗、信号完整性）？

③在实验室调试好的电子系统，怎么到了工程现场会出现这么多稀奇古怪的问题（电磁干扰）？

④DC-DC模块电源、开关电源、分离电源器件、LDO，这么多电源，应该怎样选择（电源完整性）？

⑤本来工作很正常，我一摸机壳，系统就死机，这是怎么回事（静电泄放通道）？

⑥机壳地、电源地、信号地、数字地、模拟地，这些“地”之间有什么关系？一个复杂的电子系统中有很多板卡，板卡之间的“地”应该怎样连接（共地处理）？

这些问题如何解决？我们可以进行理论基础的学习。市面上关于高速信号传输的书籍很多，开篇就是麦克斯韦方程组、阻抗匹配、反射、振铃、地弹，理论依据很丰富，但太复杂、太深奥了，需要投入巨大的精力。还有一个选择，就是学习各种规范。相信很多电路设计工程师都接触过《××公司硬件设计规范》等书籍，作为各大公司多年设计经验的总结，这些规范的价值毋庸置疑。规范告诉电子工程师设计时应该怎么做，至于为什么这么做，往往没有描述或者描述的过于简单。目前大量电子工程师也在按照这些规范进行设计工作，一旦系统出现一些稀奇古怪的问题，大部分人往往束手无策。

另外，对于电子产品设计者而言，设计什么样的产品才能算是一个优秀的产品？所有器件、线缆都选择最好的原材料？电子产品的功能越多越好？

而换作消费者的视角，在选择电子产品时，我们真正在意的是产品的可靠性、易用性、性价比等指标。

很多电子设计工程师在设计过程中往往重点关注产品的功能，在设计和调试时，完成功能调试往往就认为万事大吉了。想想有多少人在板卡和机箱上设计了万能的“Reset”按钮。有一次，笔者参加某重点项目，使用者直接说：“能不能多提供好的产品给我们用？总是给我们地摊货！”这些话着实令设计工程师汗颜。

为了回答上述问题，作者结合自己二十多年在电子产品设计领域的工作经验和教训，编写了本书。

本书第1篇为高速信号传输导论，从高速信号传输的概念入手，论述高速信号传输的正确性必然由三大支撑技术保证：信号完整性、电源完整性和电磁兼容性。以类比的方式直观而感性地分析信号完整性、电源完整性以及电磁兼容性的内涵和性质。

第2篇为高速信号传输技术基础，从物体所固有的电阻、电感和电容等特性为切入点，重新分析电阻、电感和电容的性质，以及它们对电流、电压和电磁场的作用，并给出一个对于信号完整性、电源完整性和电磁兼容性极其重要的结论：自然界的物体天生具有对电流、电压和电磁场的抵抗能力。然后，论述了电阻器、电感器和电容器与电阻、电感和电容特性的联系与区别，明确指出了现实中的电阻器、电感器和电容器不单单具有各自主要特性，还固有其他的特性，若忽略了其他特性，就无法理解信号不完整的真正原因。

第3篇为高速信号传输的信号完整性，阐释了信号、信号传输与信号传输线的概念和相关理论，强调了信号回路的重要性，信号传输线一定由信号路径、信号回路和两者之间的介质共同构成；给出了传输线中最著名的特征阻抗的概念和意义；论述了信号中的直流分量和交流分量，信号回路也存在直流分量的信号回路和交流分量的信号回路，以及它们各自的特点；给出了高速信号界定标准，分析了不同种类的电缆传输线及其特性，以及不同种类的PCB传输线及其特性；重要的是说明了一个道理，不同类型的传输线只适合于传输不同类型的电信号。当然，考虑到产品的制造成本和它的可制造性，信号传输线的选择未必是理论上的最佳方案，产品的信号完整性设计方案是相关理论要求与产品制造成本和可制造性的平衡结果。最后，给出了高速信号传输的信号完整性设计准则。

第4篇为高速信号传输的电源完整性，给出了设备一次、二次和三次电源信号的概念，把电源信号作为一个典型的电信号，分析了供电传输线、供电路径、供电回路以及电容器在供电系统的作用。对于电路板上的被供电电路，一个好的供电系统必须在供电传输线上合适的位置放置合适的电容器作为供电中继器。最后，给出了电源完整性设计准则。

第5篇为高速信号传输的电磁兼容性，重点讲述设备或系统级电磁屏蔽、信号级电磁屏蔽的概念、作用和设计原则，举例说明电缆屏蔽层在信号传输中的真正作用。这里要提醒设计工程师，电缆的屏蔽层不一定是电磁屏蔽体，极有可能是信号传输线之信号回路。最后，讨论了不同种类的“地”的含义、信号回路与地的关系、信号回路共享原则、共地的原则，从概念上消除对“地”的概念存在的误解。

本书在上述章节中给出了信号完整性、电源完整性和电磁兼容性设计的准则和方法，这些准则是概述式的，只是抛砖引玉，主要帮助读者对全书概念和原理有更加深入的理解，强调信号完整性要统筹兼顾产品性能指标、理论要求、产品成本和产品可制造性等多个方面。

为了更加清晰地阐述信号完整性、电源完整性和电磁兼容性的相关内容，本书给出了一些概念和一些类比，这些说法或描述未必是妥当的和准确的，不当之处请读者谅解。比如，给出了信号和电源的直流分量信号回路与交流分量信号回路的概念、系统级电磁屏蔽与信号级电磁屏蔽的概念、供电传输线与供电中继电容器的概念等；再如对电阻、电感、电容特性的类比，对电磁兼容性、信号完整性和电源完整性的类比，对信号传输线、特征阻抗的类比等。

本书从理论上解释了信号不完整、电源不完整以及电磁不兼容等问题产生的根源，提出了实现信号完整性、电源完整性以及电磁兼容性的方法论，主要是概念性的知识，仅有很少的理论计算和公式推导。因此，本书适用于从事电子产品设计的工程师、即将从事电子设计工程师的高校学生，以及从事电子相关专业技术管理的管理者，可以作为学习信号完整性、电源完整性以及电磁兼容性技术理论和从事相关技术实践的入门参考资料。

本书试图给出两个结论。

结论一：在理论和技术层面上，电子产品要实现信号完整性、电源完整性和电磁兼容性是没有问题的，之所以存在信号不完整、电源不完整以及电磁不兼容性问题，是由于必须考虑产品的成本和它的可实现性，不得不“违规”进行电子产品的研发。

结论二：必须应用信号完整性、电源完整性、电磁兼容性相关设计、仿真软件工具，而不单单是设计师的经验，才能更好地统筹兼顾信号完整性、电源完整性、电磁兼容性、产品成本和产品可实现性等多个方面的要求。

作为电子设计工程师，如果能够系统地理解电磁兼容、信号完整性和电源完整性的概念和原理，以及工程实践中的电子元器件特性、信号传输及其回路、系统屏蔽和信号屏蔽等基本概念，深刻认识特征阻抗和地的意义，一定会将电子产品的SI、PI和EMC等性能提升到一个合适的水平。

在这里，我向大家推荐一本好书，它帮助我系统地梳理了对信号完整性支离破碎的理解，并纠正了我许多错误的理解，它的许多内容在本书中被引用和诠释。它已经成为我的宝典，每当遇到新的问题时，我一定会把它搬出来继续学习和理解。相信它能够帮助您深入理解和掌握信号完整性、电源完整性和电磁兼容性。这本好书就是《信号完整性分析》（Signal Integrity: Simplified），作者是Eric Bogatin，中方版由李玉山、李丽平翻译，由电子工业出版社出版。

我的同事黄涛博士不仅对全书进行了统稿，而且还巧妙地运用对光、电技术的深刻理解，提出了许多宝贵的建议。李俊对于本书的顺利出版做了大量的工作，朱启轩负责全书的初步校对。

必须感谢我的朋友张亚棣、梁晓庚、翟正军、李宝龙、周建华、夏显忠、吴卫兵、唐振宇、张磊等，他们给我提供了无私的、恰当的帮助和指导，让我对信号完整性、电源完整性和电磁兼容性有了相对系统性的理解。感谢我的单位中航工业第六一三研究所、我工作过的部门电子部，给了我思考和实践的空间和平台，给了我系统梳理和总结的机会。感谢我的同事们，他们一直陪着我一起学习、讨论、感悟和总结。

笔者在电子设计领域工作了二十多年，参与和主持过很多电子系统的设计，也犯过大量现在看来很低级的错误。作为对以往工作经验的总结和对高速信号传输的学习，笔者编写了本书，希望能与广大电子设计爱好者、希望做出优秀电子产品的系统设计者互相帮助，一起学习进步。

周拥军

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(1)PCB（Print Circuit Board），中文名称为印刷电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件。