北京数字信号测试产品介绍

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。
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。北京数字信号测试产品介绍

基本上可以看到数字信号的频域分量大部分集中在1/7U,这个频率以下，我们可以将这个频率称之为信号的带宽，工程上可以近似为0.35/0,当对设计要求严格的时候，也可近似为0.5/rro

也就是说，叠加信号带宽（0.35/。）以下的频率分量基本上可以复现边沿时间是tr的数字时;域波形信号。这个频率通常也叫作转折频率或截止频率（Fknee或cutofffrequency）

*信号的能量大部分集中在信号带宽以下，意味着我们在考虑这个信号的传输效应时，主要关注比较高频率可以到信号的带宽。

所以，假如在数字信号的传输过程中可以保证在信号的带宽（0.35亿）以下的频率分量（模拟信号）经过互连路径的质量，则我们可以保证接收到比较完整的数字信号。

然而，我们会在下面看到在考虑信号完整性问题时由于传输路径阻抗不连续对信号的反射，损耗随频率的增加而增加的特性等因素，这些频率分量在传输时会有畸变，从而造成接收到的各个频率的分量叠加在时并不能完全保证复现原有的时域的数字信号。 黑龙江数字信号测试什么是模拟信号？数字信号？

采用并行总线的另外一个问题在于总线的吞吐量很难持续提升。对于并行总线来说， 其总线吞吐量=数据线位数×数据速率。我们可以通过提升数据线的位数来提高总线吞吐  量，也可以通过提升数据速率来提高总线吞吐量。以个人计算机中曾经非常流行的PCI总  线为例，其**早推出时总线是32位的数据线，工作时钟频率是33MHz,其总线吞吐量=  32bit×33MHz;后来为了提升其总线吞吐量推出的PCI-X总线，把总线宽度扩展到64位， 工作时钟频率比较高提升到133MHz,其总线吞吐量=64bit×133MHz。是PCI插槽  和PCI-X插槽的一个对比，可以看到PCI-X由于使用了更多的数据线，其插槽更长。

但是随着人们对于总线吞吐量要求的不断提高，这种提升总线带宽的方式遇到了瓶颈。首先由于芯片尺寸和布线空间的限制，64位数据宽度已经几乎是极限了。另外，这64根数据线共用一个采样时钟，为了保证所有的信号都满足其建立保持时间的要求，在PCB上布线、换层、拐弯时需要保证精确等长。而总线工作速率越高，对于各条线的等长要求就越高，对于这么多根信号要实现等长的布线是很难做到的。

用逻辑分析仪采集到的一个实际的8位总线的工作时序，可以看到在数据从0x00跳变到0xFF状态过程中，这8根线实际并不是精确一起跳变的。

理想的跳变位置。抖动是个相对的时间量，怎么确定信号的理想的跳变位置对于 抖动的测量结果有很关键的影响。对于时钟信号的测量，我们通常关心的是时钟信号是否 精确地等间隔，因此这个理想位置通常是从被测信号中提取的一个等周期分布时钟的跳变 沿；而对于数据信号的测量，我们关心的是这个信号相对于其时钟的位置跳变，因此这个理 想跳变位置就是其时钟有效沿的跳变位置。对于很多采用嵌入式时钟的高速数字电路来 说，由于没有专门的时钟传输通道，情况要更复杂一些，这时的理想跳变位置通常是指用一 个特定的时钟恢复电路(可能是硬件的也可能是软件的)从数据中恢复出的时钟的有效跳 变沿。数字设备是由很多电路组成来实现一定的功能，系统中的各个部分通过数字信号的传输来进行信息和数据的交互。

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：
数字信号带宽用每bit占用的时间间隔的倒数来近似表示，传输速率的单位是bit/s，传输速率=传输信号的带宽。黑龙江数字信号测试

数字信号是指用一组特殊的状态来描述信号；北京数字信号测试产品介绍

为了提高信号在高速率、长距离情况下传输的可靠性，大部分高速的数字串行总线都会采用差分信号进行信号传输。差分信号是用一对反相的差分线进行信号传输，发送端采用差分的发送器，接收端相应采用差分的接收器。图1.13是一个差分线的传输模型及真实的差分PCB走线。

采用差分传输方式后，由于差分线对中正负信号的走线是紧密耦合在一起的，所以外界噪声对于两根信号线的影响是一样的。而在接收端，由于其接收器是把正负信号相减的结果作为逻辑判决的依据，因此即使信号线上有严重的共模噪声或者地电平的波动，对于的逻辑电平判决影响很小。相对于单端传输方式，差分传输方式的抗干扰、抗共模噪声能力 提高。 北京数字信号测试产品介绍