為什么數字工程師需要射頻知識？

　　為什么數字工程師需要射頻知識？

　　在很多高速應用如計算機、通信等領(lǐng)域，很多數字總線(xiàn)的數據速率都達到了Gb/s以上甚至更高。傳統上我們認為的0、1的理想的數字信號開(kāi)始更多地表現出其射頻的特性。真實(shí)的數字信號在傳輸過(guò)程中，也越來(lái)越多地表現出其微波電路的特性。

　　在對這些高速信號進(jìn)行分析時(shí)，傳統的時(shí)域分析方法面臨精度不夠以及分析手段欠缺等問(wèn)題，而射頻微波領(lǐng)域的頻域的分析手段則非常成熟和完善。因此，對于高速數字信號的分析和測量也越來(lái)越多地開(kāi)始采用一些射頻或微波的分析方法。數字設計的工程師需要更多地借助于一些射頻的方法或概念去分析數字信號，比如要用頻域的手段分析信號的頻譜，用S參數分析傳輸路徑的反射、損耗等。

　　為了幫助廣大的數字測試工程師了解頻域分析手段的基本概念，我特意整理了這篇《數字工程師需要掌握的射頻知識》的文章，這篇文章最早發(fā)表在2013年的EDI CON會(huì )議上，現在拿出來(lái)和大家共享。

　　要進(jìn)行數字信號的分析，首要的原因是真實(shí)傳輸的高速數字信號已經(jīng)遠遠不是教科書(shū)里理想的0/1電平。真實(shí)的數字信號傳輸過(guò)程中一定會(huì )有一些（甚至很?chē)乐氐模┦д婧妥冃?。如下圖所示紅色是我們期望的理想的數字信號波形，而黃色的則可能是真實(shí)的信號波形，可以看到信號上已經(jīng)由于震蕩（通常由于阻抗匹配不好） 已經(jīng)發(fā)生了較大變形。其實(shí)在高速的情況下這已經(jīng)是比較好的信號波形了，很多時(shí)候信號的波形會(huì )比這個(gè)更加惡劣。

　　要進(jìn)行數字信號的研究，首先要得到真實(shí)的數字信號波形，這就涉及到使用的測量?jì)x器問(wèn)題。觀(guān)察電信號的波形的最好工具是示波器，當信號速率比較高時(shí)，一般所需要的示波器帶寬也更高。如果使用的示波器帶寬不夠，信號里的高頻成分會(huì )被濾掉，觀(guān)察到的數字信號也會(huì )產(chǎn)生失真。很多數字工程師會(huì )習慣用諧波來(lái)估算信號帶寬，但是這種方法不太準確。

　　對于一個(gè)理想的方波信號，其上升沿是無(wú)限陡的，從頻域上看它是由無(wú)限多的奇數次諧波構成的，因此一個(gè)理想方波可以認為是無(wú)限多奇次正弦諧波的疊加。

　　但是對于真實(shí)的數字信號來(lái)說(shuō)，其上升沿不是無(wú)限陡，因此其高次諧波的能量會(huì )受到限制。比如下圖是用同一個(gè)時(shí)鐘源分別產(chǎn)生的50Mhz和250MHz的時(shí)鐘信號的頻譜，我們可以看到雖然輸出時(shí)鐘頻率不一樣，但是信號的主要頻譜能量都集中在5GHz以?xún)?，并不?jiàn)得250MHz的頻譜分布就一定比50MHz的大5倍。

　　對于真實(shí)的數據信號來(lái)說(shuō)，其頻譜會(huì )更加復雜一些。比如偽隨機序列（PRBS）碼流的頻譜的包絡(luò )是一個(gè)Sinc函數。下圖是用同一個(gè)發(fā)射機分別產(chǎn)生的 800Mbps和2.5Gbps的PRBS信號的頻譜，我們可以看到雖然輸出數據速率不一樣，但是信號的主要頻譜能量都集中在4GHz以?xún)?，也并不?jiàn)得 2.5Gbps信號的高頻能量就比800Mbps的高很多。

　　上面的兩張圖都是借助于頻譜儀測量得到的。雖然現代的數字示波器都已經(jīng)具備了數字FFT的功能可以幫助用戶(hù)觀(guān)察信號頻譜，但是由于A(yíng)DC位數和動(dòng)態(tài)范圍的限制，頻譜儀仍然是對信號能量的頻率分布進(jìn)行分析的最準確的工具，所以數字工程師可以借助于頻譜分析儀對被測數字信號的頻譜分布進(jìn)行分析。當沒(méi)有頻譜儀可用時(shí)，我們通常根據數字信號的上升時(shí)間去估算被測信號的頻譜能量。

　　Maximum signal frequency content = 0.4/fastest rise or fall time （20 - 80%）

　　Or

　　Maximum signal frequency content = 0.5/fastest rise or fall time （10 - 90%）

　　通過(guò)前面的研究我們知道數字信號的頻譜是分布很寬的，其最高的頻率分量范圍主要取決于信號的上升時(shí)間而不僅僅是數據速率。當這樣高帶寬的數字信號在傳輸時(shí)，所面臨的第一個(gè)挑戰就是傳輸通道的影響。

　　真正的傳輸通道如PCB、電纜、背板、連接器等的帶寬都是有限的，這就會(huì )把原始信號里的高頻成分銷(xiāo)弱或完全濾掉，高頻成分丟失后在波形上的表現就是信號的邊沿變緩、信號上出現過(guò)沖或者震蕩等。

　　另外，根據法拉第定律，變化的信號跳變會(huì )在導體內產(chǎn)生渦流以抵消電流的變化。電流的變化速率越快（對數字信號來(lái)說(shuō)相當于信號的上升或下降時(shí)間越短），導體內的渦流越強烈。當數據速率達到約1Gb/s以上時(shí)，導體內信號的電流和感應的電流基本完全抵消，凈電流僅被限制在導體的表面上流動(dòng)，這就是趨膚效應。趨膚效應會(huì )增大損耗并改變電路阻抗，阻抗的改變會(huì )改變信號的各次諧波的相位關(guān)系，從而造成信號的失真。

　　除此以外，最常用來(lái)制造電路板的FR-4介質(zhì)是玻璃纖維編織成的，其均勻性和對稱(chēng)性都比較差，同時(shí)FR-4材料的介電常數還和信號頻率有關(guān)，所以信號中不同頻率分量的傳輸速度也不一樣。傳輸速度的不同會(huì )進(jìn)一步改變信號中各個(gè)諧波成分的相位關(guān)系，從而使信號更加惡化。

　　因此，當高速的數字信號在PCB上傳輸時(shí)，信號的高頻分量由于損耗會(huì )被銷(xiāo)弱，各個(gè)不同的頻率成分會(huì )以不同的速度傳輸并在接收端再疊加在一起，同時(shí)又有一部分能量在阻抗不連續點(diǎn)如過(guò)孔、連接器或線(xiàn)寬變化的地方產(chǎn)生多次反射，這些效應的組合都會(huì )嚴重改變波形的形狀。要對這么復雜的問(wèn)題進(jìn)行分析是一個(gè)很大的挑戰。

　　值得注意的一點(diǎn)是，信號的幅度衰減、上升/下降時(shí)間的改變、傳輸時(shí)延的改變等很多因素都和頻率分量有關(guān)，不同頻率分量受到的影響是不一樣的。而對數字信號來(lái)說(shuō)，其頻率分量又和信號中傳輸的數字符號有關(guān)（比如0101的碼流和0011的碼流所代表的頻率分量就不一樣），所以不同的數字碼流在傳輸中受到的影響都不一樣，這就是碼間干擾ISI（inter-symbol interference ISI）。