山东数字信号测试系列

克劳德高速数字信号测试实验室

  数字信号测试方法：

需要特别注意，当数字信号的电压介于判决阈值的上限和下限之间时，其逻辑状态是不 确定的状态。所谓的“不确定”是指如果数字信号的电压介于判决阈值的上限和下限之间， 接收端的判决电路有可能把这个状态判决为逻辑0,也有可能判决为逻辑1。这种不确定是  我们不期望的，因此很多数字电路会尽量避免用这种不确定状态进行信号传输，比如会用一  个同步时钟只在信号电平稳定以后再进行采样。

数字信号处理系统的性能取决于3个因素：采样频率、架构、字长。山东数字信号测试系列

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。 广东数字信号测试调试数字此案好的上升时间（Rising Time）;

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。

为了提高串行数据传输的可靠性，现在很多更高速率的数字接口采用对数据进行编码后再做并/串转换的方式。编码的方式有很多，如8b/9b编码、8b/10b编码、64b/66b编码、128b/130b编码等，下面以当下流行的ANSI8b/10b编码为例进行介绍。

在ANSI8b/10b编码方式中，8bit的数据先通过相应的编码规则转换成10bit的数据，再进行并/串转换；接收端收到信号后先把串行数据进行串/并转换得到10bit的数据，再通过10bit到8bit的解码得到原始传输的8bit数据。因此，如果发送端并行侧的数据速率是8bit×100Mbps,通过8b/10b编码和并/串转换后的串行侧的数据速率就是1bit×1Gbps。8b/10b编码方法早由IBM发明，后来成为ANSI标准的一部分(ANSIX3.230-1994,clause11),并在通信和计算机总线上广泛应用。表1.1是ANSI8b/10b编码表的一部分，以数据0x00为例， 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。

简单的去加重实现方法是把输出信号延时一个或多个比特后乘以一个加权系数并和 原信号相加。一个实现4阶去加重的简单原理图。

去加重方法实际上压缩了信号直流电平的幅度，去加重的比例越大，信号直流电平被压缩得越厉害，因此去加重的幅度在实际应用中一般很少超过-9.5dB。做完预加重或者去加重的信号，如果在信号的发送端(TX)直接观察，并不是理想的眼图。图1.31所示是在发送端看到的一个带-3.5dB预加重的10Gbps的信号眼图，从中可以看到有明显的“双眼皮”现象。 真实的数字信号频谱；广东数字信号测试调试

什么是数字信号(DigitalSignal)；山东数字信号测试系列

数字信号的抖动(Jitter)

抖动的概念

抖动(Jitter)是数字信号，尤其是高速数字信号的一个非常关键的概念。如图1.40所 示，抖动反映的是数字信号偏离其理想位置的时间偏差。

高频数字信号的比特周期都非常短，一般为几百ps甚至几十ps,很小的抖动都会造成信号采样位置的变化从而造成数据误判，所以高频数字信号对于抖动都有严格的要求。抖动这个概念说起来简单，但实际上仔细研究起来是非常复杂的，关于其概念的理解有以下几个需要注意的方面：
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