克勞德高速數字信號測試實驗室

  數字信號測試方法：

需要特別注意，當數字信號的電壓介于判決閾值的上限和下限之間時，其邏輯狀態是不 確定的狀態。所謂的“不確定”是指如果數字信號的電壓介于判決閾值的上限和下限之間， 接收端的判決電路有可能把這個狀態判決為邏輯0,也有可能判決為邏輯1。這種不確定是  我們不期望的，因此很多數字電路會盡量避免用這種不確定狀態進行信號傳輸，比如會用一  個同步時鐘只在信號電平穩定以后再進行采樣。

對于一個數字信號，要進行可靠的0、1信號傳輸，就必須滿足一定的電平、幅度、時序等標準的要求。山東數字信號測試安裝

數字信號的上升時間(Rising Time)

任何一個真實的數字信號在由一個邏輯電平狀態跳轉到另一個邏輯電平狀態時,其中間的過渡時間都不會是無限短的。信號電平跳變的過渡時間越短，說明信號邊沿越陡。我們通常使用上升時間(RisingTime)這個參數來衡量信號邊沿的陡緩程度，通常上升時間是指數字信號由幅度的10%增加到幅度的90%所花的時間(也有些場合會使用20%～80%的上升時間或其他標準)。上升時間越短，說明信號越陡峭。大部分數字信號的下降時間(信號從幅度的90%下降到幅度的10%所花的時間)和上升時間差不多(也有例外)。圖1.2比較了兩種不同上升時間的數字信號。上升時間可以客觀反映信號邊沿的陡緩程度，而且由于計算和測量簡單，所以得到的應用。對有些非常高速的串行數字信號，如PCIe、USB3.0、100G以太網等信號，由于信號速率很高，傳輸線對信號的損耗很大，信號波形中很難找到穩定的幅度10%和90%的位置，所以有時也會用幅度20%～80%的上升時間來衡量信號的陡緩程度。通常速率越高的信號其上升時間也會更陡一些(但不一定速率低的信號上升時間一定就緩),上升時間是數字信號分析中的一個非常重要的概念，后面我們會反復提及和用到這個概念。 山東數字信號測試安裝上升時間是數字信號另一個非常關鍵的參數，它反映了一個數字信號在電平切換時邊沿變化的快慢。

對于一個理想的方波信號，其上升沿是無限陡的，從頻域上看 它是由無限多的奇數次諧波構成的，因此一個理想方波可以認為是無限多奇次正弦諧波 的疊加。

但是對于真實的數字信號來說，其上升沿不是無限陡的，因此其高次諧波的能量會受到 限制。比如圖1.3是用同一個時鐘芯片分別產生的50MHz和250MHz的時鐘信號的頻 譜，我們可以看到雖然兩種情況下輸出時鐘頻率不一樣，但是信號的主要頻譜能量都集中在 5GHz以內，并不見得250MHz時鐘的頻譜分布就一定比50MHz時鐘的大5倍。

為了保證接收端在時鐘有效沿時采集到正確的數據，通常都有建立/保持時間的要求，以避免采到數據線上跳變時不穩定的狀態，因此這種總線對于時鐘和數據線間走線長度的差異都有嚴格要求。這種并行總線在使用中比較大的挑戰是當總線時鐘速率超過幾百MHz后就很難再提高了，因為其很多根并行線很難滿圖1.15并行總線的時鐘傳輸足此時苛刻的走線等長的要求，特別是當總線上同時掛有多個設備時。為了解決并行總線工作時鐘頻率很難提高的問題，一些系統和芯片的設計廠商提出了嵌入式時鐘的概念。其思路首先是把原來很多根的并行線用一對或多對高速差分線來代替，節省了布線空間；然后把系統的時鐘信息通過數據編碼的方式嵌在數據流里，省去了專門的時鐘走線。信號到了接收端，接收端采用相應的CDR(clock-datarecovery)電路把數據流中內嵌的時鐘信息提取出來再對數據采樣。圖1.16是一個采用嵌入式時鐘的總線例子。數字信號的抖動（Jitter）;

采用串行總線以后，就單根線來說，由于上面要傳輸原來多根線傳輸的數據，所以其工作速率一般要比相應的并行總線高很多。比如以前計算機上的擴展槽上使用的PCI總線采用并行32位的數據線，每根數據線上的數據傳輸速率是33Mbps,演變到PCle(PCI-express)的串行版本后每根線上的數據速率至少是2.5Gbps(PCIel.0代標準),現在PCIe的數據速率已經達到了16Gbps(PCIe4.0代標準)或32Gbps(PCIe5.0代標準)。采用串行總線的另一個好處是在提高數據傳輸速率的同時節省了布線空間，芯片的功耗也降低了，所以在現代的電子設備中，當需要進行高速數據傳輸時，使用串行總線的越來越多。

數據速率提高以后，對于阻抗匹配、線路損耗和抖動的要求就更高，稍不注意就很容易產生信號質量的問題。圖1.10是一個典型的1Gbps的信號從發送端經過芯片封裝、PCB、連接器、背板傳輸到接收端的信號路徑，可以看到在發送端的接近理想的0、1跳變的數字信號到達接收端后由于高頻損耗、反射等的影響，信號波形已經變得非常惡劣，所以串行總線的設計對于數字電路工程師來說是一個很大的挑戰。 數字信號上升時間是示波器中進行上升時間測量例子，光標交叉點指示出上升時間測量的起始點和結束點的位置；遼寧PCI-E測試數字信號測試

數字信號的預加重（Pre-emphasis）;山東數字信號測試安裝

(2)理想的跳變位置。抖動是個相對的時間量，怎么確定信號的理想的跳變位置對于 抖動的測量結果有很關鍵的影響。對于時鐘信號的測量，我們通常關心的是時鐘信號是否 精確地等間隔，因此這個理想位置通常是從被測信號中提取的一個等周期分布時鐘的跳變 沿；而對于數據信號的測量，我們關心的是這個信號相對于其時鐘的位置跳變，因此這個理 想跳變位置就是其時鐘有效沿的跳變位置。對于很多采用嵌入式時鐘的高速數字電路來 說，由于沒有專門的時鐘傳輸通道，情況要更復雜一些，這時的理想跳變位置通常是指用一 個特定的時鐘恢復電路(可能是硬件的也可能是軟件的)從數據中恢復出的時鐘的有效跳 變沿。山東數字信號測試安裝

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