信号完整性测试数字信号测试方案

时间:2023年06月12日 来源:

时域数字信号转换得到的频域信号如果起来,则可以复现原来的时域信号。

描绘了直流频率分量加上基频频率分量与直流频域分量加上基频和3倍频频率分量,以及5倍频率分量成的时域信号之间的差别,我们可以看到不同频域分量的所造成的时域信号边沿的差别。频域里包含的频域分量越多,这些频域分量成的时域信号越接近 真实的数字信号,高频谐波分量主要影响信号边沿时间,低频的分量影响幅度。当然,如果 时域数字信号转变岀的一个个频率点的正弦波都叠加起来,则可以完全复现原来的时域 数字信号。其中复原信号的不连续点的震荡被称为吉布斯震荡现象。 数字通信的带宽表征为:bit的传输速率;信号完整性测试数字信号测试方案

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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。信号完整性测试数字信号测试方案数字信号是离散的。它的幅度被限制在一个确定的值。

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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。

数字信号的时域和频域

数字信号的频率分量可以通过从时域到频域的转换中得到。首先我们要知道时域是真实世界,频域是更好的用于做信号分析的一种数学手段,时域的数字信号可以通过傅里叶变换转变为一个个频率点的正弦波的。这些正弦波就是对应的数字信号的频率分量。假如定义理想方波的边沿时间为0,占空比50%的周期信号,其在傅里叶变换后各频率分量振幅。

可见对于理想方波,其振幅频谱对应的正弦波频率是基频的奇数倍频(在50%的占空比下)。奇次谐波的幅度是按1"下降的(/是频率),也就是-20dB/dec(-20分贝每十倍频)。 数字信号取值是散的,通过数学方法对原有信号处理,编码成二进制信号后,再载波的方式发送编码后的数字流。

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数字信号的预加重(Pre-emphasis)


如前所述,很多常用的电路板材料或者电缆在高频时都会呈现出高损耗的特性。目前的高速串行总线速度不断提升,使得流行的电路板材料达到极限从而对信号有较大的损耗,这可能导致接收端的信号极其恶劣以至于无法正确还原和解码信号,从而出现传输误码。如果我们观察高速的数字信号经过长的传输通道传输后到达接收端的眼图,它可能是闭合的或者接近闭合的。因此工程师可以有两种选择:一种是在设计中使用较为昂贵的电路板材料;另一种是仍然沿用现有材料,但采用某种技术来补偿传输通道的损耗影响。考虑到在高速率的情况下低损耗的电路板材料和电缆的成本过高,我们通常会优先尝试相应的信号补偿技术,预加重(Pre-emphasis)和均衡就是高速数字电路中常用的两种信号补偿技术。
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数字信号的带宽(Bandwidth);信号完整性测试数字信号测试方案

这种并/串转换方法由于不涉及信号的编解码,结构简单,效率较高,但是需要收发端进行精确的时钟同步以控制信号的复用和解复用操作,因此需要专门的时钟传输通道,而且串行信号上一旦出现比较大的抖动就会造成串/并转换的错误。

因此,这种简单的并/串转换方式一般用于比较关注传输效率的芯片间的短距离互连或者一些光端机信号的传输中。另外,由于信号没有经过任何编码,信号中可能会出现比较长的连续的0或者连续的1,因此信号必须采用直流耦合方式,收发端一旦存在比较大的共模或地噪声,会严重影响信号质量,因此这种并/串转换方式用于电信号传输时或者传输速率不太高(通常<1Gbps),或者传输距离不太远(通常<50cm)的场合。 信号完整性测试数字信号测试方案

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