重庆数字信号测试系列

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。
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；重庆数字信号测试系列

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。 重庆数字信号测试系列波形参数测试室数字信号测试常用的测量方法，随着数字信号速率的提高，波形参数的测量方法越来越不适用了。

要把并行的信号通过串行总线传输，一般需要对数据进行并/串转换。为了进一步减少传输线的数量和提高传输距离，很多高速数据总线采用嵌入式时钟和8b/10b的数据编码方式。8b/10b编码由于直流平衡、支持AC耦合、可嵌入时钟信息、抗共模干扰能力强、编解码结构相对简单等优点，在很多高速的数字总线如FiberChannel、PCIe、SATA、USB3.0、DisplayPort、XAUI、RapidIO等接口上得到广泛应用。图1.20是一路串行的2.5Gbps的8b/10b编码后的数据流以及相应的解码结果，从中可以明显看到解出的K28.5等控制码以及相应的数据信息。

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。 数字信号是指用一组特殊的状态来描述信号；

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。 数字信号的抖动（Jitter）;重庆数字信号测试系列

数字信号抖动的成因（Root Cause of Jitter）;重庆数字信号测试系列

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)。 重庆数字信号测试系列