通信数字信号测试系列

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；通信数字信号测试系列

基本上可以看到数字信号的频域分量大部分集中在1/7U,这个频率以下，我们可以将这个频率称之为信号的带宽，工程上可以近似为0.35/0,当对设计要求严格的时候，也可近似为0.5/rro

也就是说，叠加信号带宽（0.35/。）以下的频率分量基本上可以复现边沿时间是tr的数字时;域波形信号。这个频率通常也叫作转折频率或截止频率（Fknee或cutofffrequency）

*信号的能量大部分集中在信号带宽以下，意味着我们在考虑这个信号的传输效应时，主要关注比较高频率可以到信号的带宽。

所以，假如在数字信号的传输过程中可以保证在信号的带宽（0.35亿）以下的频率分量（模拟信号）经过互连路径的质量，则我们可以保证接收到比较完整的数字信号。

然而，我们会在下面看到在考虑信号完整性问题时由于传输路径阻抗不连续对信号的反射，损耗随频率的增加而增加的特性等因素，这些频率分量在传输时会有畸变，从而造成接收到的各个频率的分量叠加在时并不能完全保证复现原有的时域的数字信号。 通信数字信号测试系列数字信号的带宽（Bandwidth）;

采用这种时钟恢复方式后，由于CDR能跟踪数据中的 一 部分低频抖动，所以数据传输 中增加的低频抖动对于接收端采样影响不大，因此更适于长距离传输。(不过由于受到环路 滤波器带宽的限制，数据线上的高频抖动仍然会对接收端采样产生比较大的影响。)

采用嵌入式时钟的缺点在于电路的复杂度增加，而且由于数据编码需要一些额外开销，降低了总线效率。

随着技术的发展，一些对总线效率要求更高的应用中开始采用另一种时钟分配方式，即前向时钟(ForwardClocking)。前向时钟的实现得益于DLL(DelayLockedLoop)电路的成熟。DLL电路比较大的好处是可以很方便地用成熟的CMOS工艺大量集成，而且不会增加抖动。

一个前向时钟的典型应用，总线仍然有单独的时钟传输通路，而与传统并行总线所不同的是接收端每条信号路径上都有一个DLL电路。电路开始工作时可以有一个训练的过程，接收端的DLL在训练过程中可以根据每条链路的时延情况调整时延，从而保证每条数据线都有充足的建立/保持时间。

通常情况下预加重技术使用在信号的发送端，通过预先对信号的高频分量进行增强来 补偿传输通道的损耗。预加重技术由于实现起来相对简单，所以在很多数据速率超过 1Gbps 的总线中使用，比如PCle,SATA 、USB3 .0 、Displayport等总线中都有使用。当 信号速率进一步提高以后，传输通道的高频损耗更加严重，靠发送端的预加重已经不太 够用，所以很多高速总线除了对预加重的阶数进一步提高以外，还会在接收端采用复杂的均 衡技术，比如PCle3.0 、SATA Gen3 、USB3.0 、Displayport HBR2 、10GBase-KR等总线中都 在接收端采用了均衡技术。采用了这些技术后，FR-4等传统廉价的电路板材料也可以应用 于高速的数字信号传输中，从而节约了系统实现的成本。数字信号电平范围象征的逻辑状态；

对于典型的3.3V的低电压TTL(LVTTL)信号来说，判决阈值的下限是0.8V,判决阈 值的上限是2.0V。正是由于判决阈值的存在，使得数字信号相对于模拟信号来说有更高的 可靠性和抗噪声的能力。比如对于3.3V的LVTTL信号来说，当信号输出电压为0V时， 只要噪声或者干扰的幅度不超过0.8V,就不会把逻辑状态由0误判为1;同样，当信号输出  电压为3.3V时，只要噪声或者干扰的幅度不会使信号电压低于2.0V,就不会把逻辑状态  由1误判为0。

从上面的例子可以看到，数字信号抗噪声和干扰的能力是比较强的。但也需要注意，这 个“强”是相对的，如果噪声或干扰的影响使得信号的电压超出了其正常逻辑的判决区间，数字信号也仍然有可能产生错误的数据传输。在许多场合，我们对数字信号质量进行分析和 测试的基本目的就是要保证其信号电平在进行采样时满足基本的逻辑判决条件。 数字信号的预加重（Pre-emphasis）;通信数字信号测试系列

数字信号处理技术经过几十年的发展已经相当成熟，目前在很多领域都有着宽敞的应用。通信数字信号测试系列

伪随机码型(PRBS)

在进行数字接口的测试时，有时会用到一些特定的测试码型。比如我们在进行信号质量测试时，如果被测件发送的只是一些规律跳变的码型，可能不了真实通信时的恶劣情况，所以测试时我们会希望被测件发出的数据尽可能地随机以恶劣的情况。同时，因为这种数据流很多时候只是为了测试使用的，用户的被测件在正常工作时还是要根据特定的协议发送真实的数据流，因此产生这种随机数据码流的电路比较好尽可能简单，不要额外占用太多的硬件资源。那么怎么用简单的方法产生尽可能随机一些的数据流输出呢?首先，因为真正随机的码流是很难用简单的电路实现的，所以我们只需要生成尽可能随机的码流就可以了，其中常用的一种数据码流是PRBS(PseudoRandomBinarySequence,伪随机码)码流。PRBS码的产生非常简单，图1.21是PRBS7的产生原理，只需要用到7个移位寄存器和简单的异或门就可以实现。 通信数字信号测试系列