串扰是发生在一个信号与返回路径和另外一个信号与返回路径之间的效应，是不同传输线之间的能量耦合。当不同结构的电磁场相互作用时，就会产生串扰。不只是在信号路径上，返回路径也会产生串扰。1、串扰现象概述
1.1 串扰的问题
如上所述阐明了串扰的形成原由，在多传输线系统中，如果传输线间的串扰太大，会产生两种有害的影响。一是会使传输线的有效特征阻抗和传播速度发生改变，影响系统级时序和信号完整性，从而改变传输线的性能。二是会在其它传输线上引入感应噪声，进一步降低信号完整性，从而改变传输线的性能。叠加性是信号完整性中的一个重要原则，在处理串扰问题时可叠加性的概念尤其关键。
如下图所示的两条传输线中，其中一条传输线上是有信号的（动态网络），另外一条传输线是静态网络。为了便于分析，在静态网络的两端均进行了端接，在动态网络的末端进行了端接。
Figure 1 Configuration to measure the cross talk between an active and quiet net, looking on the near end and far end of the quiet line.
靠近源端的一端称为近端，远离源端的一端称为远端。当动态网络中有信号时，在静态网络中测得的近端串扰（NEXT）与远端串扰（FEXT）波形分别如 Figure 2 所示。降低远端串扰的三个因素分别是：减少耦合长度，增加上升时间和加大线条间的距离。
Figure 2 Measured noise on the quiet line when the active line is driven with a 200-mV, 50-psec rise-time signal. Measured with an Agilent DCA TDR and GigaTest Labs Probe Station.
Figure 3 串扰的互容与互感模型
Figure 3 所示是一个串扰的模型，两条传输线中信号由 A 点传向 B 点，则 C 点到 D 点的传输线将受到干扰。其中 C 点为远端串扰，D 点为近端串扰。两条传输线之间存在互容 Cm 与互感 Lm，故产生感性串扰与容性串扰。容性串扰会从信号的跳变沿处向两端传播，感性串扰与信号电流方向相反，及从 C 点流向 D 点。近端串扰电流是容性串扰与感性串扰的电流之和，远端串扰是容性耦合与感性耦合之差。对于微带线来说，由于容性串扰中其电场中穿过的的空气，不是其他的绝缘材料，其容性串扰小于感性串扰，导致远端串扰是一个负值。一般在完整的地平面上，容性耦合与感性耦合产生的远端串扰电压大小相等，方向相反而抵消。
1.2 引起串扰的原因
引起串扰的原因有两个，一个是互感。已驱动的传输线通过磁场在干净的传输线上感应出电流。如果干净的传输线与已驱动的传输线足够接近，已驱动的传输线的磁场会包围干净的走线，并在上面感应出电流。通过磁场产生的电流耦合在电路模型中用互感表示。如果返回路径不是很宽的均匀平面，而是封装中的单个引线或接插件中的单个引脚时，互容变小，互感变大。尽管此时依然存在容性耦合与感性耦合，但这种情况下感性耦合电流将远大于容性耦合电流，静态线上的噪声是 di/dt 驱动的，通常在信号的上升沿和下降沿处发生，这就是串扰开关噪声，或称感性串扰。
引起串扰的另一个原因是互容，互容就是两条导线通过电场产生的耦合，在电路模型中，由电场激发的耦合表示为互容。当信号沿传输线传播时，信号路径和返回路径之间将产生电场线，围绕在信号路径与返回路径周围有磁场线，这些场不会被封闭在信号路劲与返回路径之间，而是会延伸到周围的空间中。我们把这些延伸出去的场称为边缘场。经验法则是 FR4 中 50Ω 微带线的边缘场产生的电容，大约等于那些直接在信号线下方的电场线所产生的电容。当距离边缘场越远时，边缘场强会迅速下降，Figure 4 给出了信号路径与返回路径之间的边缘场以及当一个网络分别在远处和近处时两者之间的相互作用情况。
Figure 4 Fringe fields near a signal line. When a second trace is far away, there is little fringe-field coupling and little cross talk. When the second net is in the vicinity of the fringe fields, there can be excessive coupling and cross talk.
1.3 串扰感应噪声
串扰是相邻导线之间互容与互感联合作用的结果，相邻传输线上感应的噪声幅值取决于互感和互容的值。远端串扰是被感应传输线远离驱动器的一端看到的串扰，或称前向串扰。近端串扰为在被感应传输线接近驱动器一端看到的串扰，又称后向串扰。互容在被感应传输线上产生的电流，分别流向被感应传输线的两端。互感在被感应传输线上产生的电流，从被感应传输线的远端流向近端，故互感会产生反方向的电流。故流向近端和远端的串扰电流可以分解为若干分量：
数字脉冲沿传输线传播，其上升沿和下降沿将不断地在相邻传输线上感应出噪声。假定上升/下降时间远小于传输线时延。串扰噪声的一部分向传输线近端传播，另一部分向远端传播。向近端传播的分量称为近端串扰脉冲，向远端传播的分量称为远端串扰脉冲。
当驱动线上发送一个信号边沿时，远端串扰脉冲向远端传播，近端串扰脉冲向近端传播。当信号边沿在 TD 时刻到达驱动线的远端时，驱动信号和远端串扰都到达端接电阻。就在信号端接之前，传输线上感应出最后的近端串扰分量，此最后的近端串扰分量在 2TD 时刻才到达近端，因为其需要传播完传输线的全部长度，才能到达近端。故对于一端有端接的传输线，近端串扰始于 0 时刻，持续时间为 2TD。远端串扰发生在 TD 时刻，持续时间等于信号的上升/下降沿，如 Figure 5、Figure 6、Figure 7 所示。
Figure 5 Near-end cross-talk voltage signature when the signal is a linear ramp.
Figure 6 General signature of far-end cross-talk voltage noise when the signal is a linear ramp.
Figure 7 串扰噪声示意图
1.4 奇模和偶模
当若干走线之间的距离很近时，电磁场以特定的方式相互作用。其方式由传输线上的信号模式决定，这些相互作用会改变传输线的有效特征阻抗和传播速度。导致总线表现出与信号模式相关的阻抗特性和传播速度特性。当两条耦合传输线由幅度相同，相位相反的信号驱动时，其传播模式为奇模。此时，传输线的有效互容将在传输线接地电容的基础上，加上互容。传输线的等效电感将在传输线自感的基础上，减去互感。当两条耦合传输线由幅度相同，相位也相同的信号驱动时，其传播模式为偶模。此时传输线的有效电容将在传输线自身电容的基础上减去互容。传输线的等效电感将在传输线自感的基础上，加上互感。
Figure 8 简单双导线系统中，奇/偶模电磁场的方向图
Figure 9 解释了奇偶模阻抗变化和传播速度变化是如何影响传输线上信号传播的，图中显示信号完整性和传播速度可能会受到串扰的影响，且是开关模式的函数。由于信号完整性直接依赖于信号源阻抗和传输线阻抗，而且事实上信号耦合程度和开关模式会使走线的有效特征阻抗发生改变，故信号耦合程度和开关模式将严重影响系统性能。
Figure 9 三导线系统中开关模式的影响
在奇偶传播中，加上互感总是对应减去互容，减去互感总是对应加上互容，两者总是相反。在奇模传播中，由于两条导线的电势不同，肯定要加上互容的影响。由于两条导线上的电流流向总是相反，磁场耦合在各传输线上感应出的电流总会反相，从而抵消了互感的任何影响。故计算奇偶特性时，必须减去互感，加上互容。
2、串扰的耦合途径
2.1 容性和感性耦合
当信号在动态网络上传播时，只是在信号的最前沿处，电压或电流发生变化，只有在这个区域中有耦合噪声电流从动态线流到静态线上。信号的前沿可以看作是沿导线移动，且与电压相同的电流源，在每一时刻，流经互容的总电流为：
其中互容 Cm 为：
由此得出：
由上式可知，注入到静态线上的瞬时容性耦合电流总量与单位长度互容，信号传播速度与信号电压有关。静态线上互感中感应的瞬时电压为（移动电压源）：
由此式可知，静态线上互感中感应的瞬时电压与单位长度互感，信号传播速度和动态线上的信号电流有关。静态线上的耦合噪声有四个很重要的性质：
⑴ 瞬时耦合电压噪声值和电流噪声值取决于信号的强度（绝对幅度）；
⑵ 瞬时耦合电压噪声值和电流噪声值取决于以单位长度互容和单位长度互感为度量的单位长度耦合量。单位长度耦合增加，耦合噪声也将增加（互感互容）；
⑶ 速度越快，瞬时耦合总电流越大（信号速度与介质材料有关）；
⑷ 信号的上升时间并不影响总的瞬时耦合噪声电压或电流。较短的上升时间使单位互容或互感增加，但是前沿扩展也越短，发生耦合的总互容和总电感就越小（上升边无关）。
2.2 容性耦合电流
Figure 10 Equivalent circuit model of two coupled lines just showing the coupling capacitors, the coupled current, and the spatial extent of the signal edge.
把信号的上升边看作是沿动态线移动的电流源，信号的前沿有容性耦合电流流入静态线。当动态线驱动器输出信号上升沿刚刚出现之后，此电流从电压为 0V 的位置开始逐步上升。当信号前进时，后向流动的容性耦合电流以恒定速度持续流回到近端。当前沿传输了一个饱和长度后，近端的电流将达到一个稳定值。当动态线上的信号到达远端端接电阻后，就不再有耦合噪声电流。但是静态线上还有后向电流陆续流向静态线的近端，这段额外时间等于时延 TD。
近端的特征就是容性耦合电流上升到一个恒定值并持续达 2 × TD，然后下降到 0，其中上升时间等于信号上升时间。
Figure 11 Typical signature of the capacitively coupled voltage at the near end of the quiet line, through the terminating resistor.
近端容性耦合饱和电流的幅度为：
2.3 感性耦合电流
由于动态线上 di/dt的驱动，经过互感在静态线上产生一个电压，进而形成感性耦合电流。动态线上的变化电流从信号路径流到返回路径，而在动态线上的信号边附近，静态线上的感应电流从返回路径流向信号路径，如 Figure 12 所示。
Figure 12 A di/dt in the active line induces a voltage in the quiet line, which in turn creates a di/dt in the quiet line. Half of the current loop will propagate in each direction in the quiet line.
静态线上的电流回路受到的阻抗是相等的，故它将沿两个方向等量传播。静态线上的感应电流回路中的一半电流流回近端，另一半沿前向传播。
3、串扰的防护
3.1 奇偶模传输线对的匹配
在电路设计的多数场合下，明智的做法是使所有走线间的耦合降到最小。在某些设计中，不可能把耦合降到最小，或者两条走线间的高耦合会带来好处。如差分时钟线布线时，两条走线之间的耦合程度高就会带来好处。差分传输线由两条耦合紧密的走线构成，线上信号总是以奇模传播。
正确匹配耦合双导线，并在奇、偶模传播时防止发生反射的方法是使用 π 型网络。当使用差分接收器时，就应该使用这种特殊的匹配方案。必须要选择合适的电阻 R1，R2和R3，使得奇偶模都可以匹配。在偶模情况下，V1 = V2。由于节点 1 与 节点 2 的电势差相等。两个节点之间没有电流流过。R1 和 R2 必须要等于偶模阻抗。在奇模情况下，V1 和 V2幅度总是相等，相位相反， R3 可以分解为两个 1/2R3 的电阻，中间点是有效交流地。在奇偶模传播模式中，要为耦合紧密的传输线对进行端接匹配，R1 和 R3 的值应为：
Figure 13 匹配耦合传输线对的 π 型匹配结构
3.2 串扰的防护
减小串扰的一种方法是增大线的间距，使间距等于线宽的两倍可以保证最坏情况下的串扰小于 5%。防护布线时位于攻击线与待屏蔽受害线之间的隔离线，信号线之间的防护布线应尽量宽，同时还要符合间距的设计规则。防护布线可以使用在微带线和带状线结构中，但微带线中的防护布线作用不是很大。防护布线可以看作是另一条信号线，噪声从攻击线耦合到防护布线上。如果端接不良，防护布线上的噪声可以再次耦合到静态线上。下图是防护线开路和 50Ω 端接时防护线上的噪声图。
Figure 14 Noise at the end of a guard trace when it is open and when it is terminated. This noise will couple to the quiet line. Simulated with Mentor Graphics Hyperlynx.
当对防护线的两端进行短路，并且中间经过多个过孔短路后，对于减少防护线上的噪声有很好的作用。
3.3 串扰开关噪声
如果返回路径不是均匀平面或介质材料非常不均匀时，增加的感性耦合比容性耦合高很多，这时噪声主要由回路互感决定。当回路互感占主导地位，并且发生在很小的区域时，可以用单个互感来模拟耦合。静态线上由互感产生的噪声仅在当动态线上出现 di/dt 时才会上升，即边沿切换的时候。故互感占主导地位时产生的噪声称为开关噪声。地弹是开关噪声的一种，只要有共用的返回路径，就会发生地弹，这里指出减小地弹的三种方法：
- 增加返回路径数量，使它们没有共同的返回路径；
- 增加返回路径的宽度并减少长度，使之局部自感最小；
- 将每一个信号路径靠近它的返回路径以便增加它们之间的互感。