FPGA以其體積小、集成度高、功耗低、速度快、可無限次反復編程等特點，被廣泛用于復雜系統的設計，已成為開發電子產品的首選器件。隨著IC工藝的不斷發展，FPGA器件的性能越來越高、速度越來越快，其外圍配套芯片的性能也隨之不斷提高。由于整個電路系統時鐘頻率的提升，信號的電平切換速度不斷加快，信號的邊沿不斷變陡，電磁兼容性的要求也不斷提高，因而電路板的板層特性、器件布局以及高速信號線的布線策略成為影響FPGA系統信號質量的重要因素。設計人員在進行FPGA開發板設計時，必須考慮到傳輸線效應引起的反射、串擾、信號延遲等信號完整性問題，通過仿真技術對電路板進行信號完整性分析，并通過材質、器件、布局的調整，提前解除設計隱患。
1 信號完整性
    信號完整性是指信號在信號線上的質量，即信號在電路中能以正確的時序和電壓做出響應的能力。如果信號能以要求的時序、持續時間、電壓幅值到達接收端，則認為電路具有良好的信號完整性，否則認為信號完整性差[1]。
2 影響信號完整性的因素
    在高速電路中，由于傳輸線效應等因素的影響，信號質量會大大降低，信號的完整性往往無法滿足實際需求。傳輸線效應指信號反射、延遲和時序錯誤、過沖、串擾、電磁輻射等。在電路系統中，傳輸線是由兩條具有一定長度的導體組成回路的連接線，其電流返回到地或電源，通常也可稱為延遲線，其主要任務是有效傳輸信號。從實踐經驗中得知，一旦傳輸線的長度大于驅動器上升時間或者下降時間對應的有效長度的1/6時，則可認為信號為高速信號并產生傳輸線效應[2]。所有信號完整性相關的傳輸線效應都與下面四類特定噪聲源中的一個有關。
2.1 單一網絡的反射
    在信號路徑或返回路徑上，一旦阻抗發生變化，信號就會在變化處產生反射，并在通過互連線的剩余部分時發生失真。如果阻抗改變的程度足夠大，則失真會導致錯誤的觸發。使阻抗發生改變的情況有：線寬變化、層轉換、返回路徑平面上的間隙，接插件，分支線、T形線或樁線，網絡末端等[3]。通過采用使路徑阻抗保持不變的拓撲結構(如菊花鏈結構)，或在關鍵地方放置電阻(端接匹配)可以有效控制反射。
2.2 多網絡間的串擾
    當網絡傳播信號時，有些電壓和電流能傳遞到鄰近的靜態網絡上，即使動態網絡上的信號質量非常好，一些信號也會以有害的噪聲形式耦合到鄰近的靜態網絡上[3]。通過優化相鄰信號線的物理設計，遵守高速信號線布線的“3W原則”，可以有效減少耦合，從而減小串擾。
2.3 電源分配系統中的軌道塌陷
    當通過電源和地路徑的電流發生變化，如芯片輸出引腳電平切換時，在電源路徑和地路徑間的阻抗上就會產生一個壓降，這個壓降就是電源與地間的電壓減小或塌陷。減小軌道塌陷的方法有：減小電源層和底層間介質的厚度；芯片周圍添加去耦電容等[3]。
2.4 來自原件或系統的電磁干擾
    當板級時鐘頻率在100 MHz～500 MHz時，電路板極有可能干擾通信，所以必須降低它的電磁輻射。前面所提的三個信號完整性因素也同時是電磁干擾的根源，因此通過減小反射、串擾和軌道塌陷也能降低輻射。

3 信號完整性仿真
    信號完整性仿真是指使用仿真軟件將芯片、信號傳輸鏈路的模型連接到一起，進行初步的信號質量預測。合理進行電路建模仿真是最常見的信號完整性解決方法。在高速電路設計中，仿真分析越來越顯示出優越性。它給設計者以準確、直觀的設計結果，便于及早發現問題并及時修改，從而縮短設計時間，降低設計成本。
4 基于HyperLynx的信號完整性分析方法
4.1 HyperLynx簡介
    HyperLynx是Mentor Graphics開發的一款板級信號完整性的仿真工具，也是業界應用最為普遍的高速PCB仿真工具。它兼容Mentor/Cadence/Zuken/Protel等所有格式的PCB設計文件，從設計初期的網絡拓撲結構規劃、阻抗設計、高速規則定義與優化，直到最終的板級驗證等工作均可在其中完成[4]。HyperLynx可以進行損耗傳輸線的精確仿真，支持IBIS模型和HSPICE模型，可以使用過孔模型，允許多種激勵源，可以分析信號的眼圖、抖動以及EMC(電磁兼容性)輻射。
    它包含前仿真環境（LineSim）、后仿真環境（BoardSim）及多板分析功能，可以幫助設計者對電路板上頻率低至幾十兆赫茲、高達千兆赫茲以上的網絡進行信號完整性與電子兼容性仿真分析，消除設計隱患，提高設計一版成功率。LineSim用在布線設計以前約束布線和各層的參數，設置時鐘的布線拓撲結構，選擇元器件的速率，診斷并避免信號完整性、電磁輻射及串擾等問題；BoardSim用于布線以后快速分析設計中的信號完整性、電磁兼容性和串擾問題，生成串擾強度報告，區分并解決串擾問題。
4.2 實例分析
    下面通過介紹一款基于Altera EP2C20 的FPGA開發板的設計實例，對在板級設計中如何運用HyperLynx進行信號完整性分析予以說明。
    在板級設計中，為保證信號的完整性，需要在以下三個階段進行信號完整性分析。
4.2.1 LineSim預布線仿真
    在系統原理圖設計完畢以后，需要利用HyperLynx的LineSim工具在PCB布局布線前進行仿真，以便建立布局布線約束、計劃疊層，并在電路板布局之前優化時鐘、關鍵信號拓撲和終端負載，在第一時間預測和消除信號完整性問題。具體的步驟是：
    (1)建立Cell-Based原理圖。通過Stackup設置PCB疊層參數，這個參數可以向PCB制板廠家了解。
    (2)進行LineSim反射仿真。
    ①建立一個單一網絡，如圖1(a)所示（這里顯示的是對FPGA到SDRAM_D0線的仿真情況），指定輸入端和輸出端的模型及引腳，設置傳輸線模型（Microstrip）及屬性（如長度、高度等信息）。
    ②點擊仿真按鈕，打開仿真界面，設置時鐘為50 MHz，仿真結果如圖1(c)所示。觀察仿真效果可以發現信號的過沖和振鈴還是很嚴重的，所以下一步需要在傳輸線上增加一個端接電阻進行匹配。
    ③回到Cell-Based原理圖，在傳輸線上增加一個端接電阻如圖1(b)所示，具體的阻值可以根據仿真波形的效果調整（此處選擇的是50 Ω）。
    ④再次仿真后可以觀察到過沖得到了有效控制，如圖1(d)所示。在仿真過程中可以調整傳輸線的長度和端接電阻的阻值，以達到一個理想的仿真效果。

    (3)進行EMI測試。在仿真波形達到一個較好的效果后，可以檢查一下EMI測試效果，設置頻率為50 MHz，測試結果顯示符合FCC及CISPR標準。
    (4)進行LineSim串擾仿真。
    ①建立一個多網絡Cell-Based原理圖。三個網絡要劃分到一個組里，分別設置好輸入端和輸出端的模型和管腳、端接電阻以及傳輸線的參數（包括不同網絡間的線間距，單一網絡的線長等）。
    ②進行串擾仿真。點擊仿真按鈕，設置時鐘為50 MHz。放大視圖觀察波形，可以看到兩邊攻擊線對中間的受害線產生了微弱的串擾（小于200 mV），改變線間距、端接電阻后再仿真可以看到串擾結果的變化。
    通過在LineSim中的反射、串擾和EMI仿真，可以初步確定被測網絡的布線長度、寬度、線間距以及是否端接和阻值，對后面的布線有重要的參考意義。
4.2.2 BoardSim布線后仿真
    按照LineSim仿真結果的要求設置好布線約束之后，就可以進行PCB設計。在進行完PCB設計后，要利用HyperLynx的BoardSim軟件進行布線后仿真，以求達到最接近真實效果的仿真結果。在制板前再次檢驗設計的信號完整性。
    (1)首先通過PADS Layout導入原理圖，并通過名稱映射設置各元器件的類型。
    (2)進行BoardSim反射仿真。選擇待仿真的網絡，并設置輸入端和輸出端的模型。
    (3)通過模型設置窗口還可以進行端接方式的選擇，在此不作詳細演示。
    (4)再次檢查EMI仿真的效果。由于布線策略已遵守了前面LineSim仿真結果的要求，且增加了端接電阻，因此可以看到這里的EMI較LineSim仿真時有所減小。
    (5)進行BoardSim串擾仿真。選擇要進行串擾分析的網絡，并點擊串擾仿真按鈕，這時系統會自動標記所選定受害線兩端的攻擊線，在設置輸入端和輸出端模型時，注意保持受害線為低電平，其他攻擊線為方波，這樣便于觀察串擾影響。
    (6)串擾分析比較復雜，所以速度較慢，從結果可以看到端接后的串擾比較小（小于100mV）。
    由于之前PCB的設計已經遵守了LineSim仿真所設置的布線策略及約束，所以BoardSim仿真的結果比較接近于真實情況，可以幫助設計者在制板之前對自己的設計有一個比較準確的把握，并根據仿真結果對PCB設計作進一步修改。
4.2.3 裝配后檢測
    進行LineSim仿真和BoardSim仿真后可以確保電路板的SI 設計品質，在電路板裝配完成之后，仍然有必要將電路板放在測試平臺上，利用示波器或者TDR（時域反射計）測量，將真實電路板和仿真預期結果進行比較。這些測量數據可以幫助設計者改進模型和制造參數，以便在下一次預設計調研工作中作出更佳（更少的約束條件）的決策[5]。
    在進行FPGA開發板設計時，正確使用信號完整性分析工具可以幫助設計者在板級設計的各個階段有效地發現并解決影響信號質量的設計隱患，對提高板卡信號質量、縮短開發周期、節省開發成本具有重要意義和實用價值。
參考文獻
[1] 王洛欣.高速并行總線接口的信號完整性分析與設計[D]. 西安：西北大學，2006.
[2] 雒勇，南秀娟.高速電路板信號完整性設計及仿真[J].中國航空計算技術研究所，2010(2).
[3] 李玉山，李麗平.信號完整性分析[M].北京：電子工業出版社，2004.
[4] 胡啟翔.高速數字電路的信號完整性分析及其應用[D]. 天津：天津大學，2007.
[5] 李曉晶.確保信號完整性的電路板設計準則[J].中國新技術新產品，2009(18)：25