电气性能测试数字信号测试检查

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。 数字信号的预加重（Pre-emphasis）;电气性能测试数字信号测试检查

数字信号的均衡(Equalization)

前面介绍了预加重或者去加重技术对于克服传输通道损耗、改善高速数字信号接收端信号质量的作用，但是当信号速率进一步提高或者传输距离更长时，**在发送端已不能充分补偿传输通道带来的损耗，这时就需要在接收端同时使用均衡技术来进一步改善信号质量。所谓均衡，是在数字信号的接收端进行的一种补偿高频损耗的技术。常见的信号均衡技术有3种：CTLE(ContinuousTimeLinearEqualization)、FFE(FeedForwardEqualization)和DFE(DecisionFeedbackEqualization).CTLE是在接收端提供一个高通滤波器，这个高通滤波器可以对信号中的主要高频分量进行放大，这一点和发送端的预加重技术带来的效果是类似的。有些速率比较高的总线，为了适应不同链路长度损耗的影响，还支持多挡不同增益的CTLE均衡器。图1.35是PCle5.0总线在接收端使用的CTLE均衡器的频响曲线的例子。 电气性能测试数字信号测试检查数字信号的带宽（Bandwidth）;

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。

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。
数字信号处理的解决方案；

对于典型的3.3V的低电压TTL(LVTTL)信号来说，判决阈值的下限是0.8V,判决阈 值的上限是2.0V。正是由于判决阈值的存在，使得数字信号相对于模拟信号来说有更高的 可靠性和抗噪声的能力。比如对于3.3V的LVTTL信号来说，当信号输出电压为0V时， 只要噪声或者干扰的幅度不超过0.8V,就不会把逻辑状态由0误判为1;同样，当信号输出  电压为3.3V时，只要噪声或者干扰的幅度不会使信号电压低于2.0V,就不会把逻辑状态  由1误判为0。

从上面的例子可以看到，数字信号抗噪声和干扰的能力是比较强的。但也需要注意，这 个“强”是相对的，如果噪声或干扰的影响使得信号的电压超出了其正常逻辑的判决区间，数字信号也仍然有可能产生错误的数据传输。在许多场合，我们对数字信号质量进行分析和 测试的基本目的就是要保证其信号电平在进行采样时满足基本的逻辑判决条件。 数字信号是一种信号与自变量和因变量的分散。变量通常用整数表示的，而因变量的数量有限的数字表示。电气性能测试数字信号测试检查

数字信号电平范围象征的逻辑状态；电气性能测试数字信号测试检查

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。电气性能测试数字信号测试检查