UHD급 영상신호 전송은 다수의 고속 신호를 전송하기 위하여 다층회로기판(MLB : Multi-Layer Printed Circuit Board)의 구조로 설계된다. 이러한 구조는 고속 신호전송에 널리 사용되고 있지만 신호를 고속으로 전송하면서 발생하는 고주파 잡음과 선로간의 누화현상을 억제 시키는 MLB 구조에 대하여 명확한 설계규정이 없으므로 본 논문에서는 MLB 구조에서 발생하는 고주파 잡음을 최소화하고 신호 무결성과 전원 무결성을 개선하면서 EMI를 억제하는 최적의 MLB 설계방법을 제시하였다.
고속 전송선로의 신호 무결성은 전기신호가 송수신단에서 발생하는 장애현상으로서, 선로에서 일어나는 누화현상이나 MLB의 특성 임피던스 변화에 의해 나타나는 선로 종단의 반사신호가 원인이다. 이를 제거하기 위해 마이크로스트립 전송선로를 전자파 혼선을 없애는 형태로 전송선로를 설계하여, 신호의 복사현상을 감소시키거나 MLB의 전원층에 차폐특성이 좋은 평면 구조로 하여 선로영역의 크기를 확대시킴으로서 임피던스가 감소하도록 설계한다. 또한 고속영상 전송 시스템에서 EMI 특성은 특정 주파수 대역의 신호가 전기적, 구조적으로 주파수가 일치될 때, 에너지가 집중되고 신호의 흐름을 방해하여 왜곡이 발생하므로 시스템이 불안정해지는 원인이 된다. 이러한 신호의 왜곡을 제거하기 위하여 전원 무결성 분석과 EMI 현상에 대한 고주파 설계기법이 요구되어진다. 따라서 본 연구에서는 전원층으로부터 유입되는 전자파 에너지가 방사되는 EMI 현상과 시스템의 안정화 회로를 설계하고 분석하였다. 설계과정에서 이론적인 현상을 입증하기 위하여 모의실험 결과, MLB의 선로나 전원회로에서 방사되는 EMI의 최대 전계강도와 자계강도의 고주파 잡음이 발생되는 영역을 입증하였으며, 고주파 발생 영역에서 MLB의 면적을 최적화하고 디커플링 커패시터와 비아 홀을 추가하여 재분석한 결과, 최초 발생 공진주파수가 0.413GHz에서 0.605GHz으로 최대 공진 주파수는 0.554GHz에서 1.286GHz로 공진 주파수가 상승하여 시스템 보드의 동작 주파수의 간섭이 감소하였다.
본 논문에서 제안하는 MLB의 특성 임피던스 파라미터는 고속영상차동신호의 선로 폭 w = 0.203, 선로의 간격 d = 0.203, 베타층 위의 높이 h = 0.145, 선로의 두께 t = 0.0175, 유전체의 유전율 εr = 4.3, 특성 임피던스 Zdiff = 100.186Ω이다. 또한 고속영상차동신호 인터페이스의 전송선로 길이는 300mm 이하의 마이크로스트립 선로로 최대한 짧게 배선하고 AC 커플링 커패시터는 100nF, MLB의 특성 임피던스는 100Ω으로 설계하여 고속의 MLB 설계에 필요한 최적의 파라미터 값을 도출하였으며, 최적의 파라미터 값으로 설계한 고속영상차동신호 인터페이스 보드를 실험한 결과, 아이(Eye) 다이어그램의 출력의 크기가 672mV, 지터는 6.593ps, 전송 주파수가 1.322GHz, 신호 대 잡음비는 29.62dB로 전송 품질이 개선 전보다 약 10dB 향상 되었다. 초고화질의 UHD급 고속영상신호 전송에서 시스템의 오동작 원인이 되는 신호 무결성과 전원 무결성을 개선하기 위한 MLB 설계방법으로 부품 배치와 잡음에 강한 최적의 선로 설계기법을 적용함으로써 고속영상 신호전송에서 나타나는 시스템의 오동작과 EMI의 원인을 해결하였다. 제안한 고속 MLB의 설계방법으로 고해상도 고속 영상 인터페이스 보드에서 나타나는 신호잡음과 전원잡음에 대한 문제점 해결 방안에 적용할 수 있다. 향후, EMI 현상은 아직까지 정량적인 설계가 어렵고 복합적으로 문제가 발생하여 지속적인 연구가 이루어져야 한다.

Ultra High Definition(UHD) video signal transmission is designed by the structure of the Multi-Layer Printed Circuit Board(MLB) in order to transmit a large number of high-speed signals. Although this structure is widely used for high-speed signal transmission, there is no clear design regulations on MLB structure for suppressing high-frequency noise occurred during high-speed transmission and crosstalk between the signal lines. In this dissertation, we proposed an adaptive MLB design method which minimizes high-frequency noise in MLB structure, enhances signal integrity and power integrity, and suppresses EMI(Electro Magnetic Interference). In high-speed transmission line for UHD, signal integrity refers to troubled dataflow observed during an electrical signal transmission and reception, mainly caused by crosstalk in the lines or reflection signals at the end of the line offered by changes in MLB characteristic impedances. To reduce this, a microstrip transmission line was bent to reduce electromagnetic interferences, and consequently to reduce signal radiation. In addition, power layer of MLB is designed as a flat structure which gives good shielding characteristics to reduce impedance. Moreover, in high-speed video transmission system, when a signal within certain frequency region coincides electrically and structurally, the system becomes unstable because the energy is concentrated, and signal flux is interfered and distorted. For the reason for the instability, power integrity analysis should be conducted. To remove the signal distortion for MLB, using a high-frequency design technique for EMI phenomenon, EMI which radiates electromagnetic energy fluxed into power layer was analyzed considering system stabilization. The simulations results identified the area of high-frequency with maximum electric field strength and magnetic field strength of radiated from MLB traces or power circuit. When the area of MLB which gives high-frequency was minimized and decoupling capacitor and via hole were mounted, the minimum resonance frequency was increased from 0.413GHz to 0.605GHz, the maximum resonance frequency from 0.554GHz to 1.286GHz increased, reducing operation frequency interference on system board. The characteristic impedance for multi-layer circuit board proposed in this study were High-Speed Video Differential Signaling(HSVDS) line width w = 0.203, line gap d = 0.203, beta layer height h = 0.145, line thickness t = 0.0175, dielectric constant of the MLB = 4.3, and characteristic impedance Zdiff = 100.186Ω. In addition, for an optimal set of parameters for high-speed MLB design, transmission line length of high-speed video differential signal interface was proposed with a microstrip line less than 300mm length, AC coupling capacitor of 100nF, and characteristic impedance of multi-layer circuit board of 100Ω. When high-speed video differential signal interface board was tested with optimized parameters, the magnitude of Eye diagram output was 672mV, jittering was 6.593ps, transmission frequency was 1.322GHz, signal to noise was 29.62dB showing transmission quality improvement of 10dB compared to previous system. For optimal MLB design in high-speed video signal transmission, component arrangement was considered and line tracing robust to noise was applied to resolve system malfunctioning and the source of EMI. The proposed high-speed MLB design method may resolve signal noise and power noise problems prominent in UHD high-speed video interface board. In the future, as EMI phenomena is difficult to quantitatively design and causes collective problems, further study should be continued.