辽宁信息化数字信号测试

数字信号的带宽(Bandwidth)

在进行数字信号的分析和测试时，了解我们要分析的数字信号的带宽是很重要的一点，它决定了我们进行电路设计时对PCB走线和传输介质传输带宽的要求，也决定了测试对仪表的要求。

数字信号的带宽可以大概理解为数字信号的能量在频域的一个分布范围，由于数字信号不是正弦波，有很多高次谐波成分，所以其在频域的能量分布是一个比较复杂的问题。

传统上做数字电路设计的工程师习惯根据信号的5次谐波来估算带宽，比如如果信号的数据速率是100Mbps,其快的0101的跳变波形相当于50MHz的方波时钟，这个方波时钟的5次谐波成分是250MHz,因此信号的带宽大概就在250MHz以内。这种方法看起来很合理，因为5次谐波对于重建信号的基本波形形状是非常重要的，但这种方法对于需要进行精确波形参数测量的场合来说就不太准确了。比如同样是50MHz 的信号，如果上升沿很陡接近理想方波，其高次谐波能量就比较大；而如果上升沿很缓接近 正弦波，其高次谐波能量就很小。
数字信号是指用一组特殊的状态来描述信号；辽宁信息化数字信号测试

采用并行总线的另外一个问题在于总线的吞吐量很难持续提升。对于并行总线来说， 其总线吞吐量=数据线位数×数据速率。我们可以通过提升数据线的位数来提高总线吞吐  量，也可以通过提升数据速率来提高总线吞吐量。以个人计算机中曾经非常流行的PCI总  线为例，其**早推出时总线是32位的数据线，工作时钟频率是33MHz,其总线吞吐量=  32bit×33MHz;后来为了提升其总线吞吐量推出的PCI-X总线，把总线宽度扩展到64位， 工作时钟频率比较高提升到133MHz,其总线吞吐量=64bit×133MHz。是PCI插槽  和PCI-X插槽的一个对比，可以看到PCI-X由于使用了更多的数据线，其插槽更长。

但是随着人们对于总线吞吐量要求的不断提高，这种提升总线带宽的方式遇到了瓶颈。首先由于芯片尺寸和布线空间的限制，64位数据宽度已经几乎是极限了。另外，这64根数据线共用一个采样时钟，为了保证所有的信号都满足其建立保持时间的要求，在PCB上布线、换层、拐弯时需要保证精确等长。而总线工作速率越高，对于各条线的等长要求就越高，对于这么多根信号要实现等长的布线是很难做到的。

用逻辑分析仪采集到的一个实际的8位总线的工作时序，可以看到在数据从0x00跳变到0xFF状态过程中，这8根线实际并不是精确一起跳变的。 辽宁信息化数字信号测试什么是模拟信号？数字信号？

数字信号并行总线与串行总线(Parallel and Serial Bus)

虽然随着技术的发展，现代的数字芯片已经集成了越来越多的功能，但是对于稍微复杂  一点的系统来说，很多时候单独一个芯片很难完成所有的工作，这就需要和其他芯片配合起  来工作。比如现在的CPU的处理能力越来越强，很多CPU内部甚至集成了显示处理的功  能，但是仍然需要配合外部的内存芯片来存储临时的数据，需要配合桥接芯片扩展硬盘、 USB等接口；现代的FPGA内部也可以集成CPU、DSP、RAM、高速收发器等，但有些  场合可能还需要配合用的DSP来进一步提高浮点处理效率，配合额外的内存芯片来扩展  存储空间，配合用的物理层芯片来扩展网口、USB等，或者需要多片FPGA互连来提高处  理能力。所有这一切，都需要用到相应的总线来实现多个数字芯片间的互连。如果我们把  各个功能芯片想象成人体的各个功能，总线就是血脉和经络，通过这些路径，各个功能  模块间才能进行有效的数据交换和协同工作。

这种方法由于不需要单独的时钟走线，各对差分线可以采用各自的CDR电路，所以对各对线的等长要求不太严格(即使要求严格也很容易实现，因为走线数量减少，而且信号都是点对点传输)。为了把时钟信息嵌在数据流里，需要对数据进行编码，比较常用的编码方式有ANSI的8b/10b编码、64b/66b编码、曼彻斯特编码、特殊的数据编码以及对数据进行加扰等。

嵌入式时钟结构的关键在于CDR电路，CDR的工作原理如图1.17所示。CDR通常用一个PLL电路实现，可以从数据中提取时钟。PLL电路通过鉴相器(PhaseDetector)比较输入信号和本地VCO(压控振荡器)间的相差，并把相差信息通过环路滤波器(Filter)滤波后转换成低频的对VCO的控制电压信号，通过不断的比较和调整终实现本地VCO对输入信号的时钟锁定。 数字信号带宽用每bit占用的时间间隔的倒数来近似表示，传输速率的单位是bit/s，传输速率=传输信号的带宽。

预加重是一种在发送端事先对发送信号的高频分量进行补偿的方法，这种方法的实现是通过增大信号跳变边沿后个比特(跳变比特)的幅度(预加重)来完成的。比如对于一个00111的比特序列来说，做完预加重后序列里个1的幅度会比第二个和第三个1的幅度大。由于跳变比特了信号里的高频分量，所以这种方法实际上提高了发送信号中高频信号的能量。在实际实现时，有时并不是增加跳变比特的幅度，而是相应减小非跳变比特的幅度，减小非跳变比特幅度的这种方法有时又叫去加重(De-emphasis)。图1.26反映的是预加重后信号波形的变化。

对于预加重技术来说，其对信号改善的效果取决于其预加重的幅度的大小，预加重的幅度是指经过预加重后跳变比特相对于非跳变比特幅度的变化。预加重幅度的计算公式如图1.27所示。数字总线中经常使用的预加重有3.5dB、6dB、9.5dB等。对于6dB的预加重来说，相当于从发送端看，跳变比特的电压幅度是非跳变比特电压幅度的2倍。 抖动是数字信号，特别是高速数字信号重要的一个概念，越是高速的信号，其比特周期越短对于抖动要求就严格；辽宁信息化数字信号测试

数字信号的抖动（Jitter）;辽宁信息化数字信号测试

采用同步时钟的电路减少了出现逻辑不确定状态的可能性，而且可以减小电路和信号布线时延的累积效应，所以在现代的数字系统和设备中***采用。采用同步电路以后，数字电路就以一定的时钟节拍工作，我们把数字信号每秒钟跳变的比较大速率称为信号的数据速率(BitRate),单位通常是bps(bitspersecond)或者bit/s。大部分并行总线的数据速率和系统中时钟的工作频率一致，比如某51系列单片机工作在11.0592MHz时钟下，其数据线上的数据速率就是11.0592Mbps;也有些特殊的场合采用DDR方式(DoubleDataRate)采样，数据速率是其时钟工作频率的2倍，比如某DDR4内存芯片，其工作时钟是1333MHz,其数据速率是2666Mbps。还有些高速传输的情况，比如PCle、USB3.0、SATA、RapidIO、100G以太网等总线，时钟信息是通过编码嵌入在数据流中，这种情况下虽然在外部看不到有专门的时钟传输通道，但是其工作起来仍然有特定的数据速率。辽宁信息化数字信号测试