串行總線差分互連之模態轉換

俗話說：少年看山是山，看水是水;中年看山不是山，看水不是水;老年看山還是山，看水還是水！這就說明，不同的人生閱歷，我們眼中的世界是不一樣的。這又讓我想到了小陳之前的文章中的一個說法，在邏輯工程師眼中數字信號就是0101，在硬件工程師眼中，數字信號就是高低跳變的電平。但是在SI工程師眼中，數字信號是一堆不同頻率的正弦波的疊加。那么在SI工程師眼中，差分信號又是什么呢？

上篇文章我們講到了差分信號的模態，其中有個重要的概念，那就是：

這里將單根信號的幅值用另外一種角度描述出來，那就是共模信號與差分信號的疊加。共模信號描述了單端信號中不變的成分，而差分信號描述了單端信號中跳變的部分。所以，在SI工程師眼中，差分信號不僅僅是差分信號，它是差分與共模的疊加。下面我們來直觀的感受一下什么是模態轉換。

理想情況下，我們希望差分信號是下圖1這樣的：

圖1

圖1中兩根單端信號完全對稱，交叉點也正好在共模電壓上。但實際上，我們接受到的信號往往是這樣的：

理想情況下，我們希望差分信號是下圖1這樣的：

圖2

圖2中，兩根信號并不對稱，交叉點也沒有在共模電壓的位置。這兩幅圖中的差分信號貌似差別不大，但是共模信號卻存在較大的差異。理想情況下，共模信號是一個恒定不變的值，但是像圖2這種情況，共模信號卻出現了波動。既然有波動，肯定是有外加的能量對他產生干擾，而這種能量就來自于差分信號。我們把這種差分能量向共模能量轉換就叫做模態轉換。

差分能量轉換為共模能量后，差分信號本身的能量會有損失，這種損失在時域中通常表現為信號上升沿的畸變（變緩或者扭曲），而在頻域中則表現為高頻分量的損失。這一點，在之前的高速先生文檔中已經分析的比較清楚了，可以查看以下文章，鏈接如下：http://www．edadoc．com/cn/TechnicalArticle/Show．aspx？id=803

我們對模態轉換說了這么多，歸根結底是因為模態轉換他是評估一個傳輸通道性能好壞的指標，就像我們通常提到的插損和回損。插損是用來評估通道損耗程度的，回損是用來評估通道阻抗連續性的，那么模態轉換又是用來評估什么的呢？我們來看看S參數中模態轉換的定義，

上式中D指的是differential，C指的是common mode，端口定義如下：

從上式我們可以看出，要想保證信號模態轉換為0，兩根線必須絕對的對稱，即S11=S33，S21=S43，S23=S41。其中的對稱包括阻抗的一致性和時延的一致性。

SCD越小越好，越小代表通道的對稱性越好。實際情況下，由于設計過程中的各種限制，以及PCB加工公差等原因，以上對稱條件不可能完全滿足，所以模態轉換不可避免。我們在設計中，為把差分線的模態轉換控制在較小水平，就要盡量將差分對做到完全對稱。