河南数字信号测试系列

为了提高信号在高速率、长距离情况下传输的可靠性，大部分高速的数字串行总线都会采用差分信号进行信号传输。差分信号是用一对反相的差分线进行信号传输，发送端采用差分的发送器，接收端相应采用差分的接收器。图1.13是一个差分线的传输模型及真实的差分PCB走线。

采用差分传输方式后，由于差分线对中正负信号的走线是紧密耦合在一起的，所以外界噪声对于两根信号线的影响是一样的。而在接收端，由于其接收器是把正负信号相减的结果作为逻辑判决的依据，因此即使信号线上有严重的共模噪声或者地电平的波动，对于的逻辑电平判决影响很小。相对于单端传输方式，差分传输方式的抗干扰、抗共模噪声能力 提高。 数字信号的时钟分配（Clock Distribution）;河南数字信号测试系列

数据经过8b/10b编码后有以下优点：

(1)有足够多的跳变沿，可以从数据中进行时钟恢复。正常传输的数据中可能会有比较长的连续的0或者连续的1,而进行完8b/10b编码后，其编码规则保证了编码后的数据流中不会出现超过5个连续的0或1,信号中会出现足够多的跳变沿，因此可以采用嵌入式的时钟方式，即接收端可以从数据流中通过PLL电路直接恢复时钟，不需要专门的时钟传输通道。

(2)直流平衡，可以采用AC耦合方式。经过编码后数据中不会出现连续的0或者1, 但还是有可能在某个时间段内0或者1的数量偏多一些。从上面的编码表中我们可以看 到，同一个Byte对应有正、负两组10bit的编码， 一个编码中1的数量多一些，另一个编码中 0 的数量多一些。数据在对当前的Byte进行8b/10b编码传输时，会根据前面历史传输的 数据中正负bit的数量来选择使用哪一组编码，从而可以保证总线上正负bit的数量在任何 时刻基本都是平衡的，也就是直流点不会发生大的变化。直流点平衡以后，在信号传输的路 径上我们就可以采用AC耦合方式(常用的方法是在发送端或接收端串接隔直电容),这  样信号对于收发端的地电平变化和共模噪声的抵抗能力进一步增强，可以传输更远的距离。 北京数字信号测试USB测试数字信号带宽用每bit占用的时间间隔的倒数来近似表示，传输速率的单位是bit/s，传输速率=传输信号的带宽。

数字信号的上升时间(Rising Time)

任何一个真实的数字信号在由一个逻辑电平状态跳转到另一个逻辑电平状态时,其中间的过渡时间都不会是无限短的。信号电平跳变的过渡时间越短，说明信号边沿越陡。我们通常使用上升时间(RisingTime)这个参数来衡量信号边沿的陡缓程度，通常上升时间是指数字信号由幅度的10%增加到幅度的90%所花的时间(也有些场合会使用20%～80%的上升时间或其他标准)。上升时间越短，说明信号越陡峭。大部分数字信号的下降时间(信号从幅度的90%下降到幅度的10%所花的时间)和上升时间差不多(也有例外)。图1.2比较了两种不同上升时间的数字信号。上升时间可以客观反映信号边沿的陡缓程度，而且由于计算和测量简单，所以得到的应用。对有些非常高速的串行数字信号，如PCIe、USB3.0、100G以太网等信号，由于信号速率很高，传输线对信号的损耗很大，信号波形中很难找到稳定的幅度10%和90%的位置，所以有时也会用幅度20%～80%的上升时间来衡量信号的陡缓程度。通常速率越高的信号其上升时间也会更陡一些(但不一定速率低的信号上升时间一定就缓),上升时间是数字信号分析中的一个非常重要的概念，后面我们会反复提及和用到这个概念。

对于真实的数据信号来说，其频谱会更加复杂一些。比如伪随机序列(PRBS)码流的频谱的包络类似一个sinc函数。图1.4是用同一个发送芯片分别产生的800Mbps和2.5Gbps的PRBS信号的频谱，可以看到虽然输出数据速率不一样，但是信号的主要频谱能量集中在4GHz以内，也并不见得2.5Gbps信号的高频能量就比800Mbps的高很多。

频谱仪是对信号能量的频率分布进行分析的准确的工具，数字工程师可以借助频谱分析仪对被测数字信号的频谱分布进行分析。当没有频谱仪可用时，我们通常根据数字信号的上升时间估算被测信号的频谱能量：

信号的比较高频率成分=0.5/信号上升时间(10%～90%)

或者当使用20%～80%的上升时间标准时，计算公式如下：

信号的比较高频率成分=0.4/信号上升时间(20%～80%) 数字信号带宽、信道带宽、信息速率、基带、频带的带宽；

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。 数字信号上升时间是示波器中进行上升时间测量例子，光标交叉点指示出上升时间测量的起始点和结束点的位置；河南数字信号测试系列

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。河南数字信号测试系列

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。 河南数字信号测试系列

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