超声系统&高速采集设备

xx 等长

xxx 为什么要做等长

核心结论：AFE 前的信号本质上处在相对低频的模拟域，走线相位差与波长相比微不足道；AFE 后进入高速数字域（例如 LVDS/SerDes），走线差直接转化为采样时序偏差，超过眼图开口会导致位错与码错。

假设图上这样一个超声采集成像设备，前面是FPC电路，后面是成像设备，先通过AFE模拟转数字，再将数字信号传入到FPGA中。

在 PCB 介质中，电磁波速度约为 $v\approx \dfrac{c}{\sqrt{\varepsilon_{\rm eff}}}$ 。以 FR-4 为例， $\varepsilon_r\approx4.2\!\sim\!4.8$ ，故 $v\approx(1.4\!\sim\!1.6)\times10^8\ \mathrm{m/s}$ 。

波长 $\lambda$ 与频率 $f$ 的关系为 $\lambda=\dfrac{v}{f}$ 。

AFE 之前（模拟域）：10 mm 线差几乎不构成问题

在这套系统中，换能器→FPC→AFE 之前的有效电信号等价于声学 10 MHz 的窄带模拟信号。
取 $v=1.5\times10^8\ \mathrm{m/s}$ 、 $f=10\ \mathrm{MHz}$ ，则

波长： $\lambda=\dfrac{v}{f}= \dfrac{1.5\times10^8}{10^7}=15\ \mathrm{m}$ ；

也就是说，10 mm 的不等长相较 15 m 的波长几乎可忽略。它顶多在波束形成（DAS）时造成极轻微的相位不一致，表现为点扩散函数（PSF）略有展宽、图像分辨率几乎不可感的下降；而这类“慢变化、全通道可校”的误差，本就可以在延时—求和的数字域标定中补偿。

注意：AFE 前虽然不用“强制等长”，但仍需重视阻抗连续、屏蔽与串扰、回流路径完整性等模拟布线要点——这些往往比“等长”更关键。

AFE 之后（数字域）：同样的 10 mm 线差可能直接导致码错

假设 AFE→FPGA 采用 16 路 LVDS + 时钟，时钟 $f_{\rm clk}=480\ \mathrm{MHz}$ ，双沿采样等效数据率约 $f\approx960\ \mathrm{MHz}$ ，便于估算按 $1\ \mathrm{GHz}$ 计：

波长： $\lambda=\dfrac{v}{f}= \dfrac{1.5\times10^8}{10^9}=0.15\ \mathrm{m}=15\ \mathrm{cm}$ ；

若两通道线差达到 15 cm，恰好 相差 1 个周期，会导致“位正好错周”的灾难性错误（例如符号位错位，1111 1111 的最高位极性全错）。更现实的是，高速链路眼图并非满开口，有效采样窗口常仅有 $\sim 0.1\ \mathrm{T}$ 。据此可得最大可容许线差

\Delta L_{\max}\approx v\times(0.1T)=\dfrac{0.1v}{f}\approx 1.5\ \mathrm{cm}.

也就是说，超过约 1.5 cm 的不等长就可能让采样落在错误边沿或噪声区，出现错位、码错甚至链路无法锁定。更高速的 SerDes/PCIe下，亚毫米级的不等长都可能触发错误；工程上常见“对内不等长 $5\ \mathrm{mil}$ （0.127 mm）也要小心”的提示，正源于此。

那么如何给等长做预算？

把“链路可容忍时序偏差”转成走线预算即可：

\Delta L_{\max}= v\cdot T_{\rm eye},\quad T_{\rm eye}=\alpha\cdot \dfrac{1}{f},\ \ (0<\alpha<1)

其中 $\alpha$ 为眼图开口比例（含抖动、ISI、抖动余量、采样保持、封装与连接器不确定性等）。

AFE 前（模拟）：无需追求通道等长，更关注阻抗匹配（同轴/差分对）、回流路径、跨层过孔、屏蔽与串扰控制；多通道相位差由数字延时校准统一补偿。
AFE 后（数字）：
- 对内（intra-pair）：差分对正负线极严格等长，工程上常控制在 $<\!5\ \mathrm{mil}$ ；
- 对间/数据-时钟（inter-pair）：除等长再留安全余量（连接器、封装、走线工差、温漂）。你的原文记录（未删减）

以上是AI生成的，下面是我发给AI的提示词

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我有一个超声成像系统，连接AFE前有超声换能器+FPC电路，AFE后有电路流到FPGA中，我以前都没搞懂为什么AFE前不用做电路等长，但是AFE后就要做电路等长，后面我搞明白了，假设AFE前有10mm的线差，AFE后也有10mm的线差，这10mm的线差在AFE之前，会导致两根线之间的延迟不同，假设都按照FR4 PCB的介电常数来计算，电信号v=1.5*10^8m/s超声信号被换能器采集后传输至FPC中，假设这个超声信号（声学）是f=10MHZ，那他转化成电信号也是10Mhz，波长就是v/f=1.5*10^8m/s / 10Mhz = 15m，这小小的10mm没有等长相比这么大的波长，不值一提，不会产生很大影响，而且哪怕有一些影响，也只会影响最终DAS波束形成结果（增大一点点点PSF）和物理意义上的理论结果不一致，产生图像分辨率稍微低一点点点。     
   但是如果是AFE之后，也就是变成数字电路后，等长差10mm，那就会产生很大的影响，假设使用lvds来进行16路的数字信号传输，使用一个时钟，时钟频率为480MHz，然而由于lvds采样使用时钟上下沿都采样，因此实际采样频率为960MHz，我们假设就是1GHz方便计算，此时电信号依旧v=1.5*10^8m/s，此时波长为v/f=1.5*10^8m/s  / 1*10^9Hz=0.15m，也就是说，如果在一个时钟上升沿，两通道信号线差大于15cm，此时两个通道被时钟采的信号正好相差1个周期，这会导致很大的问题，比如1111 1111，第8位如果是正负标志位，那一个信号没对齐，后面正负都直接错了。更恐怖的是这只是理想情况下，在实际情况下还要考虑眼图的问题，对于一个质量不佳的高速信号，可采集的区域范围也许只有0.1个时钟周期，也就是说，线差如果大于1.5cm，那可能就会产生采回来的信号是错的，或者是错位的。 
当然serdes和PCIE等的速度更快，一点点的甚至5个mil=0.127mm的线差都可能导致数据错位，以上就是为什么要做等长，和为什么等长在AFE之前（或者可以说在模拟信号转成数字信号之前）都是无所谓的，但是在AFE之后（或者可以说变成高速数字信号之后）就非常重要且关键了！