广东数字信号测试系列

数字信号并行总线与串行总线(Parallel and Serial Bus)

虽然随着技术的发展，现代的数字芯片已经集成了越来越多的功能，但是对于稍微复杂  一点的系统来说，很多时候单独一个芯片很难完成所有的工作，这就需要和其他芯片配合起  来工作。比如现在的CPU的处理能力越来越强，很多CPU内部甚至集成了显示处理的功  能，但是仍然需要配合外部的内存芯片来存储临时的数据，需要配合桥接芯片扩展硬盘、 USB等接口；现代的FPGA内部也可以集成CPU、DSP、RAM、高速收发器等，但有些  场合可能还需要配合用的DSP来进一步提高浮点处理效率，配合额外的内存芯片来扩展  存储空间，配合用的物理层芯片来扩展网口、USB等，或者需要多片FPGA互连来提高处  理能力。所有这一切，都需要用到相应的总线来实现多个数字芯片间的互连。如果我们把  各个功能芯片想象成人体的各个功能，总线就是血脉和经络，通过这些路径，各个功能  模块间才能进行有效的数据交换和协同工作。 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。广东数字信号测试系列

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。
广东数字信号测试系列对于一个数字信号，要进行可靠的0、1信号传输，就必须满足一定的电平、幅度、时序等标准的要求。

采用前向时钟的总线因为有专门的时钟通路，不需要再对数据进行编解码，所以总线效率一般都比较高。还有一个优点是线路噪声和抖动对于时钟和数据线的影响基本是一样的(因为走线通常都在一起),所以对系统的影响可以消除到小。

嵌入式时钟的电路对于线路上的高频抖动非常敏感，而采用前向时钟的电路对高频抖动的敏感度就相对小得多。前向时钟总线典型的数据速率在500Mbps～12Gbps.

在前向时钟的拓扑总线中，时钟速率通常是数据速率的一半(也有采用1/4速率、1/10或其他速率的),数据在上下边沿都采样，也就是通常所说的DDR方式。使用DDR采样的好处是时钟线和数据线在设计上需要的带宽是一样的，任何设计上的局限性(比如传输线的衰减特性)对于时钟和数据线的影响是一样的。

前向时钟在一些关注效率、实时性，同时需要高吞吐量的总线上应用比较，比如DDR总线、GDDR总线、HDMI总线、Intel公司CPU互连的QPI/UPI总线等。

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。 数字信号是离散的。它的幅度被限制在一个确定的值。

数字信号测试串行总线的8b/10b编码(8b/10bEncoding)

前面我们介绍过，使用串行比并行总线可以节省更多的布线空间，芯片、电缆等的尺寸可以做得更小，同时传输速率更高。但是我们知道，在很多数字系统如CPU、DSP、FPGA等内部，进行数据处理的小单位都是Byte,即8bit,把一个或多个Byte的数据通过串行总线可靠地传输出去是需要对数据做些特殊处理的。将并行数据转换成串行信号传输的简单的方法如图1.19所示。比如发送端的数据宽度是8bit,时钟速率是100MHz,我们可以通过Mux(复用器)芯片把8bit的数据时分复用到1bit的数据线上，相应的数据速率提高到800Mbps(在有些LVDS的视频信号传输中比较常用的是把并行的7bit数据时分复用到1bit数据线上)。信号到达接收端以后，再通过Demux(解复用器)芯片把串行的信号分成8路低速的数据。 真实的数字信号频谱；广东数字信号测试系列

数字通信的带宽表征为：bit的传输速率；广东数字信号测试系列

数字信号基础单端信号与差分信号(Single-end and Differential Signals)

数字总线大部分使用单端信号做信号传输，如TTL/CMOS信号都是单端信号。所谓单端信号，是指用一根信号线的高低电平的变化来进行0、1信息的传输，这个电平的高低变化是相对于其公共的参考地平面的。单端信号由于结构简单，可以用简单的晶体管电路实现，而且集成度高、功耗低，因此在数字电路中得到的应用。是一个单端信号的传输模型。

当信号传输速率更高时，为了减小信号的跳变时间和功耗，信号的幅度一般都会相应减小。比如以前大量使用的5V的TTL信号现在使用越来越少，更多使用的是3.3V/2.5V/1.8V/1.5V/1.2V的LVTTL电平，但是信号幅度减小带来的问题是对噪声的容忍能力会变差一些。进一步，很多数字总线现在需要传输更长的距离，从原来芯片间的互连变成板卡间的互连甚至设备间的互连，信号穿过不同的设备时会受到更多噪声的干扰。更极端的情况是收发端的参考地平面可能也不是等电位的。因此，当信号速率变高、传输距离变长后仍然使用单端的方式进行信号传输会带来很大的问题。图1.12是一个受到严重共模噪声干扰的单端信号，对于这种信号，无论接收端的电平判决阈值设置在哪里都可能造成信号的误判。
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