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。
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为了保证接收端在时钟有效沿时采集到正确的数据,通常都有建立/保持时间的要求,以避免采到数据线上跳变时不稳定的状态,因此这种总线对于时钟和数据线间走线长度的差异都有严格要求。这种并行总线在使用中比较大的挑战是当总线时钟速率超过几百MHz后就很难再提高了,因为其很多根并行线很难满图1.15并行总线的时钟传输足此时苛刻的走线等长的要求,特别是当总线上同时挂有多个设备时。为了解决并行总线工作时钟频率很难提高的问题,一些系统和芯片的设计厂商提出了嵌入式时钟的概念。其思路首先是把原来很多根的并行线用一对或多对高速差分线来代替,节省了布线空间;然后把系统的时钟信息通过数据编码的方式嵌在数据流里,省去了专门的时钟走线。信号到了接收端,接收端采用相应的CDR(clock-datarecovery)电路把数据流中内嵌的时钟信息提取出来再对数据采样。图1.16是一个采用嵌入式时钟的总线例子。江西数字信号测试规格尺寸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。
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。
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。 数字信号的带宽(Bandwidth);
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。 数字信号有哪些出来方式;江西数字信号测试规格尺寸
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采用前向时钟的总线因为有专门的时钟通路,不需要再对数据进行编解码,所以总线效率一般都比较高。还有一个优点是线路噪声和抖动对于时钟和数据线的影响基本是一样的(因为走线通常都在一起),所以对系统的影响可以消除到小。
嵌入式时钟的电路对于线路上的高频抖动非常敏感,而采用前向时钟的电路对高频抖动的敏感度就相对小得多。前向时钟总线典型的数据速率在500Mbps~12Gbps.
在前向时钟的拓扑总线中,时钟速率通常是数据速率的一半(也有采用1/4速率、1/10或其他速率的),数据在上下边沿都采样,也就是通常所说的DDR方式。使用DDR采样的好处是时钟线和数据线在设计上需要的带宽是一样的,任何设计上的局限性(比如传输线的衰减特性)对于时钟和数据线的影响是一样的。
前向时钟在一些关注效率、实时性,同时需要高吞吐量的总线上应用比较,比如DDR总线、GDDR总线、HDMI总线、Intel公司CPU互连的QPI/UPI总线等。 测量数字信号测试维修价格
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