河北数字信号测试调试

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。 数字信号的眼图分析（Eye Diagram Analysis）;河北数字信号测试调试

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， 海南数字信号测试产品介绍数字信号上升时间的定义；

很多经典的处理器采用了并行的总线架构。比如大家熟知的51单片机就采用了8根并行数据线和16根地址线；CPU的鼻祖——Intel公司的8086微处理器——**初推出时具有16根并行数据线和16根地址线；

现在很多嵌入式系统中多使用的ARM处理器则大部分使用32根数据线以及若干根地址线。并行总线的比较大好处是总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易；但是缺点也是非常明显的，比如并行总线的信号线数量非常多，会占用大量的引脚和布线空间，因此芯片和PCB的尺寸很难实现小型化，特别是如果要用电缆进行远距离传输时，由于信号线的数量非常多，使得电缆变得非常昂贵和笨重。

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。 模拟信号和数字信号的差异；

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：
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数字信号的预加重(Pre-emphasis)

如前所述，很多常用的电路板材料或者电缆在高频时都会呈现出高损耗的特性。目前的高速串行总线速度不断提升，使得流行的电路板材料达到极限从而对信号有较大的损耗，这可能导致接收端的信号极其恶劣以至于无法正确还原和解码信号，从而出现传输误码。如果我们观察高速的数字信号经过长的传输通道传输后到达接收端的眼图，它可能是闭合的或者接近闭合的。因此工程师可以有两种选择：一种是在设计中使用较为昂贵的电路板材料；另一种是仍然沿用现有材料，但采用某种技术来补偿传输通道的损耗影响。考虑到在高速率的情况下低损耗的电路板材料和电缆的成本过高，我们通常会优先尝试相应的信号补偿技术，预加重(Pre-emphasis)和均衡就是高速数字电路中常用的两种信号补偿技术。
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