中国香港USB测试数字信号测试

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。 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；中国香港USB测试数字信号测试

由于真正的预加重电路在实现时需要有相应的放大电路来增加跳变比特的幅度，电路  比较复杂而且增加系统功耗，所以在实际应用时更多采用去加重的方式。去加重技术不是  增大跳变比特的幅度，而是减小非跳变比特的幅度，从而得到和预加重类似的信号波形。 图 1.29是对一个10Gbps的信号进行-3.5dB的去加重后对频谱的影响。可以看到，去加  重主要是通过压缩信号的直流和低频分量(长0 或者长 1  的比特流),从而改善其在传输过  程中可 能造成的对短0或者短1 比特的影响。中国香港USB测试数字信号测试数字信号常用的编码方式有哪些？

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。

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。
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。
传输线对数字信号的影响；中国香港USB测试数字信号测试

抖动是数字信号，特别是高速数字信号重要的一个概念，越是高速的信号，其比特周期越短对于抖动要求就严格；中国香港USB测试数字信号测试

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， 中国香港USB测试数字信号测试