信息化数字信号测试

高速数字接口与光电测试

看起来我们好像找到了解决问题的方法，但是，在真实情况下，理想窄的脉冲或者无限 陡的阶跃信号是不存在的，不仅难以产生而且精度不好控制，所以在实际测试中更多使用正 弦波进行测试得到频域响应，并通过相应的物理层测试系统软件进行频域到时域的转换以 得到时域响应。相比其他信号，正弦波更容易产生，同时其频率和幅度精度更容易控制。矢 量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)可以在高达几十GHz 的频率范围内通过  正弦波扫频的方式精确测量传输通道对不同频率的反射和传输特性，动态范围可以达到 100dB以上，所以在现代高速数字信号质量的分析中，会借助高性能的矢量网络分析仪对高 速传输通道的特性进行测量。矢量网络分析仪测到的一段差分传输线的通道损 耗及根据这个测量结果分析出的信号眼图。
数字信号是指用一组特殊的状态来描述信号；信息化数字信号测试

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。 信息化数字信号测试数字信号的抖动（Jitter）;

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。

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

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 信号处理系统的基本组成；机械数字信号测试联系人

上升时间是数字信号另一个非常关键的参数，它反映了一个数字信号在电平切换时边沿变化的快慢。信息化数字信号测试

基本上可以看到数字信号的频域分量大部分集中在1/7U,这个频率以下，我们可以将这个频率称之为信号的带宽，工程上可以近似为0.35/0,当对设计要求严格的时候，也可近似为0.5/rro

也就是说，叠加信号带宽（0.35/。）以下的频率分量基本上可以复现边沿时间是tr的数字时;域波形信号。这个频率通常也叫作转折频率或截止频率（Fknee或cutofffrequency）

*信号的能量大部分集中在信号带宽以下，意味着我们在考虑这个信号的传输效应时，主要关注比较高频率可以到信号的带宽。

所以，假如在数字信号的传输过程中可以保证在信号的带宽（0.35亿）以下的频率分量（模拟信号）经过互连路径的质量，则我们可以保证接收到比较完整的数字信号。

然而，我们会在下面看到在考虑信号完整性问题时由于传输路径阻抗不连续对信号的反射，损耗随频率的增加而增加的特性等因素，这些频率分量在传输时会有畸变，从而造成接收到的各个频率的分量叠加在时并不能完全保证复现原有的时域的数字信号。 信息化数字信号测试

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