信息化数字信号测试检查

数字信号测试串行总线的8b/10b编码(8b/10bEncoding)

前面我们介绍过，使用串行比并行总线可以节省更多的布线空间，芯片、电缆等的尺寸可以做得更小，同时传输速率更高。但是我们知道，在很多数字系统如CPU、DSP、FPGA等内部，进行数据处理的小单位都是Byte,即8bit,把一个或多个Byte的数据通过串行总线可靠地传输出去是需要对数据做些特殊处理的。将并行数据转换成串行信号传输的简单的方法如图1.19所示。比如发送端的数据宽度是8bit,时钟速率是100MHz,我们可以通过Mux(复用器)芯片把8bit的数据时分复用到1bit的数据线上，相应的数据速率提高到800Mbps(在有些LVDS的视频信号传输中比较常用的是把并行的7bit数据时分复用到1bit数据线上)。信号到达接收端以后，再通过Demux(解复用器)芯片把串行的信号分成8路低速的数据。 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。信息化数字信号测试检查

建立时间和保持时间加起来的时间称为建立/保持时间窗口，是接收端对于信号保持在 同一个逻辑状态的**小的时间要求。数字信号的比特宽度如果窄于这个时间窗口就肯定无 法同时满足建立时间和保持时间的要求，所以接收端对于建立/保持时间窗口大小的要求实 际上决定了这个电路能够工作的比较高的数据速率。通常工 作速率高一些的芯片，很短的建 立时间、保持时间就可以保证电路可靠工作，而工作速率低一 些的芯片则会要求比较长的建 立时间和保持时间。

另外要注意的是， 一个数字电路能够可靠工作的比较高数据速率不仅取决于接收端对于 建立/保持时间的要求，输出端的上升时间过缓、输出幅度偏小、信号和时钟中有抖动、信号 有畸变等很多因素都会消耗信号建立/保持时间的裕量。因此一个数字电路能够达到的比较高数据传输速率与发送芯片、接收芯片以及传输路径都有关系。

建立时间和保持时间是数字电路非常重要的概念，是接收端可靠信号接收的**基本要 求，也是数字电路可靠工作的基础。可以说，大部分数字信号的测量项目如数据速率、信号 幅度、眼图、抖动等的测量都是为了间接保证信号满足接收端对建立时间和保持时间的要 求，在以后章节的论述中我们可以慢慢体会。 信息化数字信号测试检查数字信号上升时间是示波器中进行上升时间测量例子，光标交叉点指示出上升时间测量的起始点和结束点的位置；

数据经过8b/10b编码后有以下优点：

(1)有足够多的跳变沿，可以从数据中进行时钟恢复。正常传输的数据中可能会有比较长的连续的0或者连续的1,而进行完8b/10b编码后，其编码规则保证了编码后的数据流中不会出现超过5个连续的0或1,信号中会出现足够多的跳变沿，因此可以采用嵌入式的时钟方式，即接收端可以从数据流中通过PLL电路直接恢复时钟，不需要专门的时钟传输通道。

(2)直流平衡，可以采用AC耦合方式。经过编码后数据中不会出现连续的0或者1, 但还是有可能在某个时间段内0或者1的数量偏多一些。从上面的编码表中我们可以看 到，同一个Byte对应有正、负两组10bit的编码， 一个编码中1的数量多一些，另一个编码中 0 的数量多一些。数据在对当前的Byte进行8b/10b编码传输时，会根据前面历史传输的 数据中正负bit的数量来选择使用哪一组编码，从而可以保证总线上正负bit的数量在任何 时刻基本都是平衡的，也就是直流点不会发生大的变化。直流点平衡以后，在信号传输的路 径上我们就可以采用AC耦合方式(常用的方法是在发送端或接收端串接隔直电容),这  样信号对于收发端的地电平变化和共模噪声的抵抗能力进一步增强，可以传输更远的距离。

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。

数字信号的时钟分配(ClockDistribution)

前面讲过，对于数字电路来说，目前绝大部分的场合都是采用同步逻辑电路，而同步逻辑电路中必不可少的就是时钟。数字信号的可靠传输依赖于准确的时钟采样，一般情况下发送端和接收端都需要使用相同频率的工作时钟才可以保证数据不会丢失(有些特殊的应用中收发端可以采用大致相同频率工作时钟，但需要在数据格式或协议层面做些特殊处理)。为了把发送端的时钟信息传递到接收端以进行正确的信号采样，数字总线采用的时钟分配方式大体上可以分为3类，即并行时钟、嵌入式时钟、前向时钟，各有各的应用领域。 数字 信号处理系统的基本组成；信息化数字信号测试检查

数字信号处理系统设计流程；信息化数字信号测试检查

理想的跳变位置。抖动是个相对的时间量，怎么确定信号的理想的跳变位置对于 抖动的测量结果有很关键的影响。对于时钟信号的测量，我们通常关心的是时钟信号是否 精确地等间隔，因此这个理想位置通常是从被测信号中提取的一个等周期分布时钟的跳变 沿；而对于数据信号的测量，我们关心的是这个信号相对于其时钟的位置跳变，因此这个理 想跳变位置就是其时钟有效沿的跳变位置。对于很多采用嵌入式时钟的高速数字电路来 说，由于没有专门的时钟传输通道，情况要更复杂一些，这时的理想跳变位置通常是指用一 个特定的时钟恢复电路(可能是硬件的也可能是软件的)从数据中恢复出的时钟的有效跳 变沿。信息化数字信号测试检查