嵌入式开发中引起串扰的原因是什么？

简单来说，两条传输线或导体，相邻布线就会有串扰的风险。

1. 引起串扰的原因是什么？

串扰是因为传输线之间，透过电磁场相互耦合而产生出的干扰能量（噪声）。好像有点抽象，说白了就是互容和互感的效应。如果是EE相关背景应该都不陌生。也就是说两条微带（带状）传输线中间相隔空气（FR4），就会形成寄生电容，互感也是如此。如果不熟悉电容电感可以先看看维基百科 电容 电感的解释。传输的能量（讯号）所含的高频成分越多，串扰效应会越明显。 这句话是什么意思？讯号里的高频成分？首先我们要先知道的传输信号的属性， 简单来说一般我们传输的数字信号（方波）他是属于宽带的信号，如果数字波形越理想所涵盖的高频成分就会越多，信号所需要的Rise time就越快。不懂可以看一下海绵宝宝跟派大星的傅立叶转换的关系（梗图支持一下XD）。海绵宝宝的头越方正，派大星旁边的高频谐波成分就越多（红色圈圈）！

海绵宝宝做傅立叶转换 看个图可能比较容易理解，由下图可以看到，由微带传输线所引起的电力线之边缘场会影响到邻近的传输线导体。也可以解释成磁流透过寄生电容流入另一条导线。(I=CdV/dt)

参考文献 [1]

2. 近端串扰与远端串扰 

在实务上工程师将串扰分成近端与远端两种干扰模式，通常为了快速理解将导线分成有源（攻击线， agressor）与无源（静态线， Victim）两种状态。在静态线上靠近源端的量测点可被定义成近端，反之靠近终端者为远端。如图所示：

互感的串扰 [2] 当Agressor传输一个步阶方波，前面提到由于寄生电容在电压变化时，会产生磁流流进Victim，一部分往近端方向前进，另一部分往远端。同时两导线也有互感效应，但不同的是根据楞次定律，当一导体感受到瞬间电压变化会产生反向电压抗拒，故在远端处除了电容耦合电压外，也会有一反向的感应电压产生负向的电流。近端的干扰时间为导体时延（长度）的两倍（去回），远端则是持续Rise time的时间，Waveform如下图：

[1] 也就是串扰会发生在电压变化的情况，所以呼应前段所说，高频成分越多，rise time 越快，发生串扰的风险越高。另位从数学式也可以看出近端是电容与电感耦合效应相加，远端是相减。远端上电感感应的能量（能量累加）会大于电容互耦的能量，所以在Waveform上会是呈现负值的电压。详细可以参考互联网星空 Crosstalk的解释。有趣的是远程串扰跟传输线长度与Rise time大小有关，从前面的解释应该可以略知一二。

Xtalk数学式

3. 减少串扰的方法 

威廉希尔官方网站 布线常会有串扰的风险，最后简单说明几个减小串扰的方法，常见增大走线间距、使两导体的有串扰风险的区域最小化、相邻层走线时传输线互相彼此垂直、降低板材介电常数（确保阻抗控制）、内层布线（减小远程串扰）... 等。至于内层布线可以消除远端串扰的原因在于，内层布线导体接触的介电质相同，电感与电容互耦的能量可以相消。故内层布线的远程串扰通常可以小于-50 dB。其实减小串扰的重点就是减小两导体间的互耦效应。[3] 一些有用的方法 看到这里你或许会想，不是阿！哪有每个威廉希尔官方网站 的空间都么大，让我可以两条讯号线间距很远。确实，有些结构是很难避免的，所以需要思考哪些结构是主要的发生点，以及哪一部分可以避免。 像是可以利用Via 错位的方式减少串扰的影响（先忽略P/N没有对称的情况XD），如下图：

相邻Via错位布线[4]

近场的影响[4] 酷炫一点的像是2015年Intel发表的文章，利用再传输线上增加Stub（tabbed line）的结构，增加互容的能量，减少远端的串扰。[5]

利用Stub结构减小远程串扰 [5]

4. 结语 

后来想想人的行为跟串扰很像，靠得太近容易吵架（loss）。有适当的距离反而产生美感。或许会想，那活人（agressor）对死人（Victim）呢？活人可能还是会有点Loss（怕爆）吧 XD  参考文献：

[1] 埃里克·博加廷（Eric Bogatin），《传输线中的串扰》，《信号和电源完整性——简化》

[2] 实用电子电气，串扰

[3] 高速先生，串扰探秘-近端串扰与远端串扰

[4] Kunia Aihara，用于高速数据传输的最小化过孔差分串扰，IEEE，2014 年

[5] Kunze， Richard K.， Yunhui Chu， Z. Yu， San K. Chhay， Mauro Lai， and Yanjie Zhu.“使用选项卡式线的串扰抑制和阻抗管理。”英特尔白皮书（2015 年）。

审核编辑：黄飞