对于所有时钟频率高于1GHz、传输距离超过10英寸的信号，如在高速串行链路和千兆以太网中，传输线损耗是主要的信号完整性问题。

在沿实际传输线向下传播时增加上升时间的原因，主要是因为信号的高频分量比低频分量优先衰减得更多。

分析频率相关损耗的最简单方法是在频域中。另一方面，有损线路产生的问题是时域相关的，最终的响应必须在时域中进行分析。在本章中，我们首先在频域中了解损失机制，然后切换到时域来评估对信号完整性响应的影响。

1.为什么担心损耗线？

如果损耗与频率无关，并且低频分量与高频分量衰减相同，则整个信号波形的振幅将均匀减小，但上升时间将保持不变。如下图所示。恒定衰减的影响可以用接收器处的一些增益来补偿。上升时间、定时和抖动将不受恒定衰减的影响。

引起上升时间退化、ISI、眼睛塌陷和确定性抖动的不是损耗，而是损耗的频率依赖性。

当信号沿着真实的有损传输线传播时，高频分量的振幅减小，低频分量保持大致相同。由于这种选择性衰减，信号的带宽减小了。随着信号带宽的减小，信号的上升时间增加。正是损耗的频率依赖性特别驱动了上升时间的退化。

如果上升时间的退化与一个比特的周期或单位间隔的周期相比很小，那么比特模式将是非常恒定的，并且与之前发生的情况无关。到一个比特周期结束时，信号将稳定下来并达到最终值。数据流中一个比特的电压波形将与前一个比特是什么、它是高还是低以及它是高或低的时间长短无关。在这种情况下，就不会有码间干扰。

然而，如果上升时间退化明显，在接收端的上升时间增加比较明显，和单位间隔比起来，一个比特上的实际电压电平取决于信号在这个比特之保持一个高电平状态或者低电平状态的时间。如果说之前信号保持了很长一段时间高电平状态，信号下降一个比特位，之后再次上升为高电平状态，那么低电压将没有时间一直下降到最低电压。由单个位实现的精确电压电平将取决于先前的位模式。这被称为符号间干扰（ISI），如下图所示。

5-Gbps伪随机比特流。左图：上升时间比位周期短得多时的位模式。右：上升时间与位模式相当时的位模式，导致模式相关的电压电平或码间干扰。

频率相关损耗和上升时间退化的重要后果是ISI：比特模式的精确波形将取决于经过的先前比特。这将显著影响接收器区分低电平和高电平信号的能力，从而增加误码率。

此外，信号达到切换阈值的时间将根据先前的数据模式而改变。ISI是抖动的重要因素。如果上升时间与比特周期相比较短，则将不存在ISI。

在接收器处，用于描述高速串行链路的信号质量的常见度量之一是眼图。使用时钟参考作为触发点，模拟或测量伪随机比特流，其模式表示所有可能的比特流模式。每个接收到的周期都从比特流中取出并叠加在前一个周期上，与时钟同步，并叠加数百个周期。这组叠加的波形被称为眼图，因为它看起来像一只睁开的眼睛。

眼图的闭合是对比特错误率的测量。有效的1或0位意味着接收到的电压电平高于高电平的最小输入或低于低电平的最大输入，并且在建立和保持时间内测量。这两个条件定义了垂直和水平方向的有效信号。我们将这些电平称为接受模板。只要每个位的电压被输出到模板，数据就会被正确读取。

如果接收器上的任何电压下降到模板以内，则很可能无法正确读取并导致位错误。睁开较大的眼图意味着低误码率。塌陷的眼图意味着更高的潜在误码率，尤其是当眼图侵入模板时。

分开眼睛开口的交叉区域的水平宽度是抖动的度量。与频率相关的损耗线和ISI的间接测量的直接后果是眼睛睁开的塌陷。下图显示了相同5-Gbps有损耗和无损耗波形的眼图塌陷。

5-Gbps伪随机比特流的眼图。左图：损耗不大。右：当有很多损耗时，对应眼图的塌陷，抖动增加对应交叉区域的加宽。

传输线的一阶近似模型是 n 节 LC 模型。这种近似通常称为无损模型。它考虑了传输线的两个重要特征——特性阻抗和时间延迟——但没有提供机制来解释信号传播时的电压损失。

需要在模型上加入损耗才可以准确预测接收端的波形。当信号沿着传输线传输时，有以下五种方式会引起能量损失：

辐射损失

耦合到相邻走线

阻抗不匹配

导体损耗

介质损耗

每种机制都会减小或影响接收端的信号。将所有这些过程都归为一般的"衰减"类别是危险的，因为它们有不同的根本原因。我们在衰减类别中仅包括导体损耗和介质损耗。这些是信号将能量损失到传输线材料中的机制，将信号能量转化为加热传输线。

虽然辐射损耗在 EMI 方面很重要，但与其他损耗过程相比，辐射损耗的能量通常非常小，而且这种损耗机制不会对接收信号产生影响。

与相邻走线的耦合很重要，会导致上升时间下降。这种效应可以非常准确地建模，并且可以预测活动线路和静止线路上的结果波形。在紧密耦合的传输线中，一根走线上的信号将受到耦合到相邻走线的能量的影响，并且必须包含在关键网络仿真中以准确预测性能和传输信号。

阻抗不连续会对传输信号的失真产生巨大影响。这将导致接收信号上升时间变差的直接后果。即使是没有损耗的线路也会因阻抗不连续而出现上升时间下降。这就是为什么为传输线、电路板过孔和连接器建立准确的模型如此重要——以准确预测仿真中的信号质量。这就是为什么在高速互连设计中尽量减少不连续性如此重要的原因。

如果上升时间因去除高频分量而变差，那么高频分量到哪里去了？毕竟，电容性或电感性不连续性本身不会吸收能量。高频分量被反射回源，最终被吸收并耗散在任何终端电阻器或驱动器的源阻抗中。

下图是上面的 5 Gbps 信号的示例，它通过一条短的、理想的、无损耗的传输线传输，该传输线具有四个串联的过孔垫，每个过孔垫的负载为 1 pF，总共贡献了 4 pF 的电容负载。由此产生的50%点上升时间退化预期约为1/2×50×4pF=100psec，等于位周期的一半。阻抗不连续性及其对上升时间退化的影响见第8章“传输线和反射”。