测量数字信号测试方案

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。数字信号是由“0”和“1”。测量数字信号测试方案

对于一个理想的方波信号，其上升沿是无限陡的，从频域上看 它是由无限多的奇数次谐波构成的，因此一个理想方波可以认为是无限多奇次正弦谐波 的叠加。

但是对于真实的数字信号来说，其上升沿不是无限陡的，因此其高次谐波的能量会受到 限制。比如图1.3是用同一个时钟芯片分别产生的50MHz和250MHz的时钟信号的频 谱，我们可以看到虽然两种情况下输出时钟频率不一样，但是信号的主要频谱能量都集中在 5GHz以内，并不见得250MHz时钟的频谱分布就一定比50MHz时钟的大5倍。 测量数字信号测试方案波形参数测试室数字信号测试常用的测量方法，随着数字信号速率的提高，波形参数的测量方法越来越不适用了。

克劳德高速数字信号测试实验室

  数字信号测试方法：

需要特别注意，当数字信号的电压介于判决阈值的上限和下限之间时，其逻辑状态是不 确定的状态。所谓的“不确定”是指如果数字信号的电压介于判决阈值的上限和下限之间， 接收端的判决电路有可能把这个状态判决为逻辑0,也有可能判决为逻辑1。这种不确定是  我们不期望的，因此很多数字电路会尽量避免用这种不确定状态进行信号传输，比如会用一  个同步时钟只在信号电平稳定以后再进行采样。

数字信号的上升时间(Rising Time)

任何一个真实的数字信号在由一个逻辑电平状态跳转到另一个逻辑电平状态时,其中间的过渡时间都不会是无限短的。信号电平跳变的过渡时间越短，说明信号边沿越陡。我们通常使用上升时间(RisingTime)这个参数来衡量信号边沿的陡缓程度，通常上升时间是指数字信号由幅度的10%增加到幅度的90%所花的时间(也有些场合会使用20%～80%的上升时间或其他标准)。上升时间越短，说明信号越陡峭。大部分数字信号的下降时间(信号从幅度的90%下降到幅度的10%所花的时间)和上升时间差不多(也有例外)。图1.2比较了两种不同上升时间的数字信号。上升时间可以客观反映信号边沿的陡缓程度，而且由于计算和测量简单，所以得到的应用。对有些非常高速的串行数字信号，如PCIe、USB3.0、100G以太网等信号，由于信号速率很高，传输线对信号的损耗很大，信号波形中很难找到稳定的幅度10%和90%的位置，所以有时也会用幅度20%～80%的上升时间来衡量信号的陡缓程度。通常速率越高的信号其上升时间也会更陡一些(但不一定速率低的信号上升时间一定就缓),上升时间是数字信号分析中的一个非常重要的概念，后面我们会反复提及和用到这个概念。 数字信号抖动的成因（Root Cause of Jitter）;

要想得到零边沿时间的理想方波，理论上是需要无穷大频率的频率分量。如果比较高只考虑到某个频率点处的频率分量，则来出的时域波形边沿时间会蜕化，会使得边沿时间增大。例如，一个频率为500MHz的理想方波，其5次谐波分量是2500M,如果把5次谐波以内所有分量成时域信号，贝U其边沿时间大概是0.35/2500M=0.14ns,即140ps。

我们可以把数字信号假设为一个时间轴上无穷的梯形波的周期信号，它的傅里叶变换

对应于每个频率点的正弦波的幅度，我们可以勾勒出虚线所示的频谱包络线， 可以看到它有两个转折频率分别对应1/材和1/”（刁是半周期，。是边沿时间）

从1/叫转折频率开始，频谱的谐波分量是按I/?下降的，也就是-40dB/dec （-40分贝每 十倍频，即每增大十倍频率，谐波分量减小100倍）。可以看到相对于理想方波，从这个频 率开始，信号的谐波分量大大减小。 模拟信号和数字信号的差异；测量数字信号测试方案

数字信号电平范围象征的逻辑状态；测量数字信号测试方案

采用串行总线以后，就单根线来说，由于上面要传输原来多根线传输的数据，所以其工作速率一般要比相应的并行总线高很多。比如以前计算机上的扩展槽上使用的PCI总线采用并行32位的数据线，每根数据线上的数据传输速率是33Mbps,演变到PCle(PCI-express)的串行版本后每根线上的数据速率至少是2.5Gbps(PCIel.0代标准),现在PCIe的数据速率已经达到了16Gbps(PCIe4.0代标准)或32Gbps(PCIe5.0代标准)。采用串行总线的另一个好处是在提高数据传输速率的同时节省了布线空间，芯片的功耗也降低了，所以在现代的电子设备中，当需要进行高速数据传输时，使用串行总线的越来越多。

数据速率提高以后，对于阻抗匹配、线路损耗和抖动的要求就更高，稍不注意就很容易产生信号质量的问题。图1.10是一个典型的1Gbps的信号从发送端经过芯片封装、PCB、连接器、背板传输到接收端的信号路径，可以看到在发送端的接近理想的0、1跳变的数字信号到达接收端后由于高频损耗、反射等的影响，信号波形已经变得非常恶劣，所以串行总线的设计对于数字电路工程师来说是一个很大的挑战。 测量数字信号测试方案