北京智能化多端口矩阵测试数字信号测试

什么是数字信号(DigitalSignal)

典型的数字设备是由很多电路组成来实现一定的功能的，系统中的各个部分主要通过数字信号的传输来进行信息和数据的交互。

数字信号通过其0、1的逻辑状态的变化来一定的含义，典型的数字信号用两个不同的信号电平来分别逻辑0和逻辑1的状态(有些更复杂的数字电路会采用多个信号电平实现更多信息的传输)。真实的世界中并不存在理想的逻辑0、1状态，所以真实情况下只是用一定的信号电平的电压范围来相应的逻辑状态。比如图1.1中，当信号的电压低于判决阈值(中间的虚线部分)的下限时逻辑0状态，当信号的电压高于判决阈值的上限时逻辑1状态。 真实的数字信号频谱；北京智能化多端口矩阵测试数字信号测试

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。 北京智能化多端口矩阵测试数字信号测试传输线对数字信号的影响；

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。

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。数字信号上升时间的定义；

采用并行总线的另外一个问题在于总线的吞吐量很难持续提升。对于并行总线来说， 其总线吞吐量=数据线位数×数据速率。我们可以通过提升数据线的位数来提高总线吞吐  量，也可以通过提升数据速率来提高总线吞吐量。以个人计算机中曾经非常流行的PCI总  线为例，其**早推出时总线是32位的数据线，工作时钟频率是33MHz,其总线吞吐量=  32bit×33MHz;后来为了提升其总线吞吐量推出的PCI-X总线，把总线宽度扩展到64位， 工作时钟频率比较高提升到133MHz,其总线吞吐量=64bit×133MHz。是PCI插槽  和PCI-X插槽的一个对比，可以看到PCI-X由于使用了更多的数据线，其插槽更长。

但是随着人们对于总线吞吐量要求的不断提高，这种提升总线带宽的方式遇到了瓶颈。首先由于芯片尺寸和布线空间的限制，64位数据宽度已经几乎是极限了。另外，这64根数据线共用一个采样时钟，为了保证所有的信号都满足其建立保持时间的要求，在PCB上布线、换层、拐弯时需要保证精确等长。而总线工作速率越高，对于各条线的等长要求就越高，对于这么多根信号要实现等长的布线是很难做到的。

用逻辑分析仪采集到的一个实际的8位总线的工作时序，可以看到在数据从0x00跳变到0xFF状态过程中，这8根线实际并不是精确一起跳变的。 数字信号的带宽（Bandwidth）;北京智能化多端口矩阵测试数字信号测试

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。北京智能化多端口矩阵测试数字信号测试

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。 北京智能化多端口矩阵测试数字信号测试

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