2.1 高速信号传输定义
高速信号传输是一定条件下的（电）信号传输，这里的条件对数字（电）信号而言，是指信号传输通道长度与信号带宽波长的关系，对模拟信号而言，无论带宽大小，都被看作高速信号传输。
2.1.1 信号传输的相关概念
（1）电信号
在通信、信号处理或者电子工程等技术领域中，任何随时间和空间变化的量都可以称为信号，如果量的变化是连续的，则称为模拟信号，如果量的变化是离散的，则称为数字信号。电信号是指其电压值（电流值）、频率值或相位值随时间变化的量，同样地，电信号也包括模拟电信号和数字电信号。
（2）传输通道
在本书中，传输通道专指电信号的有线传输通道。电信号的传输通道是指由电信号的传输路径和其返回路径共同构成的线路。需要特别强调的是，传输通道包括信号的传输路径线路和该信号的返回路径线路两个相互依存的部分，二者缺一不可。
（3）信号传输
在本书中，信号传输专指电信号的信号传输。我们把电信号和它的传输通道一起称为信号传输。对于信号传输的概念而言，电信号和其传输通道是相互依存的，二者缺一不可。脱离电信号的传输通道讨论信号传输是无意义的，同样地，脱离传输通道上的电信号讨论信号传输也是无意义的，对高速信号传输来说更是如此。
（4）保形传输
保形传输是指电信号在传输通道上进行传输的过程中，其信号失真度被控制在一定范围内，使得信号接收器能够正确接收该信号。我们开发电子设备，其中一项重要工作是为所有的电信号设计合适的传输通道，以确保电信号在传输通道上进行保形传输。
电子设计工程师在开发电子产品时，对于模拟信号传输，其设计目标是要确保模拟信号在传输过程中基本无失真；对于数字信号传输，其设计目标是要确保数字信号在传输过程中，其失真度保持在一定范围内，使得信号接收器能够正确识别。
我们可以用交通运输作为类比来理解信号传输的概念。当谈到交通运输的概念时，我们不但显性地指明交通工具，如汽车、火车、高速列车或飞机，也隐性地提及与交通工具相对应的运输通道，如公路、铁路、高速铁路或空中航道。交通工具与运输通道构成完整的交通运输概念，脱离开交通工具谈论交通运输没有实际意义，脱离运输通道谈论交通运输也没有实际意义，如汽车运输是指汽车和与之对应的公路或高速公路，火车运输是指火车和与之对应的铁路，高铁运输是指高速火车和与之对应的高速铁路，飞机运输是指飞机和与之对应的空中航道。交通工具与运输通道是相互匹配的。
这样，我们可以用安全运输的概念作为类比深入理解信号传输内涵中的保形传输概念。安全运输是指将乘客安全地从出发地经由运输通道送达目的地。同样地，保形传输是指将电信号无失真地或具有可以接受的失真度地从信号发送器经由信号传输通道传输到信号接收器，信号接收器可以正确地识别信号。
2.1.2 数字信号的时域特性
高速信号传输的主要研究内容是高速数字信号传输，因此，我们先以时钟信号为例，讨论数字信号在时域和频域中的特征。
在时域中，时钟信号有两个重要的参数，即时钟周期和上升时间。图2.1说明了数字时钟信号的这两个特性。
图2.1 时钟信号波形
时钟周期就是时钟信号重复一次的时间间隔，在高速信号系统中，时钟信号的周期（Tclock）单位一般为纳秒（ns），频率为在1秒钟内时钟循环的次数，单位一般为赫兹（Hz），时钟频率与时钟周期是互为倒数的关系：
例如，一个周期为T=25ns的时钟信号，其时钟频率为
f=1/25ns=0.04GHz=40MHz。
信号的上升时间通常定义为信号从终值的10%跃变到90%所经历的时间，又称之为10~90上升时间。信号的下降时间定义为从终值的90%跃变到10%所经历的时间。
2.1.3 数字信号的频域特性
任何一个信号都可以由一组正弦波组合而成，在数学上可以将信号波形的数学描述通过傅里叶变换转换为一组正弦波，每一个正弦波称为信号的一个频率分量，每一个频率分量都有相关的幅度和相位，我们把所有这些频率值及其幅度值的集合称为信号的频谱。
信号的波形是时域的表现，信号的频谱是频域的表现，把时域信号以信号的频谱表示称为信号的时域—频域变换，即傅里叶变换。如果我们知道信号的频谱，要观察它的时域波形，只需将每个频率分量变换成它的时域正弦波，再将其全部叠加即可，这个过程称为傅里叶逆变换。
例如，对于1GHz的理想方波，其幅值为1V，将其变换到频域中的频谱则描述如下：
●第一个频率分量的频率是0，幅度为0.5V，这个分量描述了时域中的直流分量，称为零次谐波；
●第二个频率分量的频率是1GHz，幅度为0.63V，这个分量称为一次谐波，一次谐波与零次谐波叠加，在时域中得到均值偏移为0.5V的正弦波。这与理想方波还有一定的差距；
●第三个频率分量的频率是3GHz，幅度为0.21V，这个分量称为三次谐波，三次谐波和一次谐波、零次谐波的叠加结果再叠加，在时域中得到的信号波形顶端更平滑，更接近于方波，上升时间更短；
……
依次下去，将所有相继的高次谐波与前面已经叠加的结果叠加，得出的结果会越来越像方波，上升时间会越来越短。
在实际应用中，可以采用某个频率以下的所有谐波分量，这样可以近似地表示为原始时域波形，这个频率以上的谐波分量可以忽略不计，信号的这个频率称为信号的带宽。信号带宽对应的波长λ称为带宽波长。
在工程实践中，数字时钟信号具有以下特征：
●时钟信号是由一组谐波分量组成的；
●存在一个谐波分量（称其频率为带宽），可以以这个谐波分量以下的所有谐波分量叠加，以近似该时钟信号；
●一般地，时钟信号的带宽为时钟信号频率的5倍，这是具有工程应用价值的。
数字时钟信号的时域和频域特征的分析研究结果，可以应用于任意数字信号，数字信号的带宽为数字信号最小宽度脉冲所构成的时钟信号频率的5倍。
2.1.4 电信号的传输速度
如图2.2所示，当信号在传输通道中传输时，信号路径和信号回路之间就会产生电压差，而这个电压又使信号传输通道的两导线之间产生电场；信号在传输通道上传输，信号传输通道的两导线上存在电流，电流产生磁场，而且信号上升沿或下降沿位置存在交流分量，交流分量产生交变的电场和交变的磁场。
图2.2 信号传输时建立电场和磁场示意图
电信号的传输实际上是通过在信号路径和信号回路之间和周围的介质中建立交变电场和磁场并通过电磁场传播而进行的，并非电子在导体的定向移动。
提示
电子在导体中的定向移动速度不超过1米/秒。
电磁波在真空中的传播速度Vv为30万千米每秒（12in/ns），在介质中的传播速度是在真空中的速度除以传输通道中介质的介电常数的平方根。
因此，电信号的传输速度是交变电场和磁场在介质中的建立和传播速度，与介质的介电常数的平方根成反比，即
空气的介电常数约为1，大多数印制板绝缘层材料的介电常数约为4，如果电磁场的一部分在PCB内部，一部分在空气中，信号的传输速度则由空气和印制板绝缘材料混合介电常数决定，混合介电常数要小于PCB绝缘材料的介电常数。
如果电信号传输线的信号路径在PCB内部，则信号的传播速度约为6英寸每纳秒。如果传输线的信号路径在印制板的表层，信号传输速度大于信号路径在印制板内部的信号传输速度。
2.1.5 高速信号传输的界定
高速信号可以定义为：需要对其传输线进行设计，以确保在传输过程中其波形失真度可以接受的那些信号。
界定高速信号传输的依据有以下两条。
①对于模拟信号，所有模拟信号传输都应该看作高速信号传输，因为模拟信号传输一般要求传输过程中具有很小的波形失真度。
②对于数字信号，通过分析，若设计该数字信号传输线时需要考虑阻抗才能保证信号传输到目的处的失真度可接受，则这种情况下的数字信号就是高速信号。其原因在于：对应某个数字信号，如果其传输线设计不当而在某些位置出现阻抗突变，则信号在此处会发生反射，反射的信号向着与信号传输方向相反的方向传输，若再遇到阻抗突变处，则再次反射，与刚好传到此处的信号S进行叠加，此叠加的信号沿信号传输方向传输，到达信号采集处，影响采集器对S信号的判断。若其可能产生的信号反射叠加在后续的信号上，则会影响后续信号接收的正确性。
由天线原理可知，如果反射点恰好处于信号某个有效谐波波长的1/4处，则在该段传输线上任意位置入射信号和反射信号的相位相同，电流方向相反，信号幅值叠加，该段传输线构成射频发射天线。因此，一般情况下，如果其传输线长度大于该数字信号有效最高谐波（一般为基频的3~5倍）波长的1/4时，则该数字信号相对该传输线就是高速信号。
值得注意的是，数字信号是否为高速信号，除了与信号的频率有关，还与传输它的线路长度有关。
注意
信号传输是否为高速信号传输，不但取决于数字信号的带宽波长（等价于数字信号的速率），还取决于信号传输线的长度。数字信号的传输速率和其传输通道的长度是高速信号传输的两个不可分割的组成部分。
例如，传输速率为1Mbps的RS-422信号在双绞屏蔽电缆上传输时，信号带宽为5×1MHz。
信号带宽波长λ为3×108÷（4）1/2÷（1×106× 5）= 30（m）。
假设电缆材料的相对介电常数为4，只有当RS-422信号传输通道长度大于7.5m时，才可以被当作高速信号传输。
又例如，分辨率为UXGA（1600×1200）的DVI信号，其信号传输速率为1.625Gbps，当该信号在FR4材料的PCB上传输时，其信号带宽波长为：
3×10+8÷（4）1/2÷（1.625×10+9× 5）≈ 0.02（m）= 20mm，
其中，FR4材料的相对介电常数为4。
当DVI信号在PCB上传输时，传输通道长度大于1/4带宽波长，即5mm时，就必须被当作高速信号传输。
对于模拟信号，信号在传输过程中可以被衰减，但不可以因被叠加较大噪声而使信号失真太多，也不允许信号在传输过程中因传输通道某处阻抗的突变太大引起较严重的反射现象。因此，模拟信号传输被看作高速信号传输，且与信号传输通道的长度无关。
注意
在电子设计中，以高速信号传输代替高速信号设计的概念或高速电路设计的概念才能正确处理信号的保形传输问题。仅以信号传输速率的高低，或以信号的上升时间或下降时间的大小区分信号是高速还是低速是不科学的，这也是部分电子设计工程师对高速信号传输的误解，必须同时考虑信号的传输速率与信号传输通道的长度。