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数字信号测试基本参数
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数字信号测试企业商机

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)。 数字信号处理系统设计流程;黑龙江机械数字信号测试

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要想得到零边沿时间的理想方波,理论上是需要无穷大频率的频率分量。如果比较高只考虑到某个频率点处的频率分量,则来出的时域波形边沿时间会蜕化,会使得边沿时间增大。例如,一个频率为500MHz的理想方波,其5次谐波分量是2500M,如果把5次谐波以内所有分量成时域信号,贝U其边沿时间大概是0.35/2500M=0.14ns,即140ps。

我们可以把数字信号假设为一个时间轴上无穷的梯形波的周期信号,它的傅里叶变换

对应于每个频率点的正弦波的幅度,我们可以勾勒出虚线所示的频谱包络线, 可以看到它有两个转折频率分别对应1/材和1/”(刁是半周期,。是边沿时间)

从1/叫转折频率开始,频谱的谐波分量是按I/?下降的,也就是-40dB/dec (-40分贝每 十倍频,即每增大十倍频率,谐波分量减小100倍)。可以看到相对于理想方波,从这个频 率开始,信号的谐波分量大大减小。 黑龙江机械数字信号测试数字总线采用的时钟 分配方式大体上可以分为3类,即并行时钟、嵌入式时钟、前向时钟,各有各的应用领域。

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抖动的频率范围。抖动实际上是时间上的噪声,其时间偏差的变化频率可能比较  快也可能比较慢。通常把变化频率超过10Hz以上的抖动成分称为jitter,而变化频率低于  10Hz的抖动成分称为wander(漂移)。wander主要反映的是时钟源随着时间、温度等的缓  慢变化,影响的是时钟或定时信号的***精度。在通信或者信号传输中,由于收发双方都会  采用一定的时钟架构来进行时钟的分配和同步,缓慢的时钟漂移很容易被跟踪上或补偿掉, 因此wander对于数字电路传输的误码率影响不大,高速数字电路测量中关心的主要是高  频的jitter。

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。 数字信号可通过分时将大量信号合成为一个信号(称复用信号),通过某个处理器处理后,再将信号解复用;

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需要注意的是,采用8b/10b编码方式也是有缺点的,比较大的缺点就是8bit到10bit的编码会造成额外的20%的编码开销,所以很多10Gbps左右或更高速率的总线不再使用8b/10b编码方式。比如PCIe1.0和PCIe2.0的总线速率分别为2.5Gbps和5Gbps,都是采用8b/10b编码,而PCle3.0、PCle4.0、PCle5.0的总线速率分别达到8Gbps、16Gbps和32Gbps,并通过效率更高的128b/130b的编码结合扰码的方法来实现直流平衡和嵌入式时钟。另一个例子是FibreChannel总线,1xFC、2xFC、4xFC、8xFC的数据速率分别为1.0625Gbps、2 . 125Gbps,4 . 25Gbps 、8 . 5Gbps,都是采用8b/10b编码,而16xFC 、32xFC 的数据速率分别  为14.025Gbps和28.05Gbps,采用的是效率更高的64b/66b编码方式。64b/66b编码在 10G和100G以太网中也有广泛应用。什么是数字信号(DigitalSignal);黑龙江机械数字信号测试

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数字信号的带宽(Bandwidth)

在进行数字信号的分析和测试时,了解我们要分析的数字信号的带宽是很重要的一点,它决定了我们进行电路设计时对PCB走线和传输介质传输带宽的要求,也决定了测试对仪表的要求。

数字信号的带宽可以大概理解为数字信号的能量在频域的一个分布范围,由于数字信号不是正弦波,有很多高次谐波成分,所以其在频域的能量分布是一个比较复杂的问题。

传统上做数字电路设计的工程师习惯根据信号的5次谐波来估算带宽,比如如果信号的数据速率是100Mbps,其快的0101的跳变波形相当于50MHz的方波时钟,这个方波时钟的5次谐波成分是250MHz,因此信号的带宽大概就在250MHz以内。这种方法看起来很合理,因为5次谐波对于重建信号的基本波形形状是非常重要的,但这种方法对于需要进行精确波形参数测量的场合来说就不太准确了。比如同样是50MHz 的信号,如果上升沿很陡接近理想方波,其高次谐波能量就比较大;而如果上升沿很缓接近 正弦波,其高次谐波能量就很小。
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