3. 高速信号完整性基础
在高速光模块中，SerDes 通道的速率已普遍达到 25 Gb/s、56 Gb/s 乃至 112 Gb/s 每通道。此时信号沿 PCB 走线、连接器、过孔、封装和光模块内部传输时，不能再当作“导线上的电压瞬间到达”来处理，而必须按传输线看待。信号完整性（SI）研究的核心，就是让高速数字信号在传输路径上保持足够的幅度、时序和波形质量，使接收端能够正确判决 0 和 1。
一、传输线理论：信号是波，不是瞬时电流
当信号上升时间远小于走线传播延迟时，走线必须用分布参数模型描述。单位长度电感 L 和电容 C 决定两个关键参数：
- 特性阻抗 Z₀ = √(L/C)，常见单端 50 Ω、差分 100 Ω；
- 传播速度 v = 1/√(LC)，在 FR-4 中约为光速的 55%～60%，即约 6 in/ns 或 150 mm/ns。
判断是否需要按传输线处理，可用经验准则：若走线长度大于信号上升时间对应空间长度的 1/6，就必须考虑传输线效应。例如上升时间 50 ps，对应空间长度约 7.5 mm，那么超过约 1.2 mm 的走线就应做阻抗控制。高速光模块中几乎所有 SerDes 走线都远超此值，因此阻抗控制是设计前提。
二、反射：阻抗不连续的回波
信号沿传输线传播时，若遇到阻抗突变，一部分能量会反射回来。反射系数 Γ = (Z_L − Z₀)/(Z_L + Z₀)。当 Z_L = Z₀ 时 Γ = 0，无反射；当 Z_L 开路时 Γ = +1，全正反射；短路时 Γ = −1，全负反射。反射会造成过冲、下冲、振铃和眼图闭合。
常见阻抗不连续来源包括：连接器、过孔、封装引脚、走线宽度变化、参考平面切换、未端接的支线（stub）。工程上通过端接抑制反射：源端串联端接（R_s ≈ Z₀ − R_driver）、终端并联端接（R_t = Z₀ 到地或到 VTT）、戴维南端接、AC 端接等。SerDes 接收端通常内置可调端接和均衡，但 PCB 仍应尽量保持 100 Ω 差分阻抗连续。
三、串扰：相邻走线间的电磁耦合
串扰是攻击线（Aggressor）上的信号通过互容和互感耦合到受害线（Victim）上。分为近端串扰 NEXT（靠近源端）和远端串扰 FEXT（靠近负载端）。串扰大小与线间距、并行长度、参考平面高度、信号上升时间密切相关。经验上，线间距从 1W 增加到 3W，串扰可下降约 10 dB 以上；并行长度减半，串扰约下降 6 dB。
抑制串扰的手段包括：增大线间距、缩短并行长度、避免跨分割、在敏感线两侧加地线并打地过孔、差分对内部紧耦合、不同层走线正交。在光模块金手指与连接器区域，串扰往往是眼图恶化的主要原因之一。
四、衰减：频率相关的损耗
传输线损耗由导体损耗和介质损耗组成，均随频率升高而增大。导体损耗 ∝ √f，介质损耗 ∝ f。因此高频分量衰减更严重，导致上升沿变缓、眼高降低、抖动增大。FR-4 在 10 GHz 时损耗约 0.5～1 dB/inch，而低损耗材料如 Megtron 6、M6 或 Rogers 可显著降低介质损耗。
衰减常用插入损耗 S21 表示，单位 dB。例如一条 100 mm 差分走线在 14 GHz 处 S21 = −8 dB，意味着该频率分量幅度降到约 40%。SerDes 通过发送端 FFE 预加重和接收端 CTLE/DFE 均衡来补偿信道损耗，但均衡能力有限，信道损耗过大时眼图无法恢复。
五、阻抗匹配与 S 参数
阻抗匹配的目标是让源、线、负载之间阻抗一致，使能量最大传输、反射最小。S 参数是频域描述网络端口关系的标准工具：S11 为输入反射系数，S21 为插入损耗/传输系数，S12 为反向隔离，S22 为输出反射。对于差分通道，常用 Sdd11（差分回波损耗）和 Sdd21（差分插入损耗）评估。
工程判据示例：在 Nyquist 频率（如 28 Gbaud 对应 14 GHz）处，Sdd21 应满足通道预算，Sdd11 通常要求优于 −10 dB。S 参数可由 VNA 测量或由 3D 电磁仿真提取，再用于 IBIS-AMI 通道仿真。
六、眼图：时域综合质量指标
眼图是把多个 UI 的波形叠加显示，直观反映幅度噪声、时间抖动、码间干扰和反射的综合影响。关键指标包括眼高、眼宽、眼信噪比、抖动（TJ/RJ/DJ）和浴盆曲线。眼图张开度越大，接收判决越可靠。通常要求在 BER = 1E−12 或 1E−15 下眼高、眼宽仍满足接收机灵敏度。
七、工程实践中的联合判断
实际调试中，这些概念不是孤立的。例如某 56 Gb/s PAM4 通道眼图闭合，可能同时存在：过孔 stub 引起反射、连接器区域串扰、FR-4 走线在 14 GHz 处损耗过大。排查顺序通常是：先看 S 参数确认通道损耗和回波损耗，再用 TDR 定位阻抗不连续位置，然后检查串扰耦合路径，最后结合眼图和浴盆曲线判断均衡是否足够。