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什么是数字信号(DigitalSignal)

典型的数字设备是由很多电路组成来实现一定的功能的，系统中的各个部分主要通过数字信号的传输来进行信息和数据的交互。

数字信号通过其0、1的逻辑状态的变化来一定的含义，典型的数字信号用两个不同的信号电平来分别逻辑0和逻辑1的状态(有些更复杂的数字电路会采用多个信号电平实现更多信息的传输)。真实的世界中并不存在理想的逻辑0、1状态，所以真实情况下只是用一定的信号电平的电压范围来相应的逻辑状态。比如图1.1中，当信号的电压低于判决阈值(中间的虚线部分)的下限时逻辑0状态，当信号的电压高于判决阈值的上限时逻辑1状态。 数字信号处理中的基础运算；数字信号数字信号测试服务热线

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。 数字信号数字信号测试服务热线数字信号的带宽（Bandwidth）;

采用同步时钟的电路减少了出现逻辑不确定状态的可能性，而且可以减小电路和信号布线时延的累积效应，所以在现代的数字系统和设备中***采用。采用同步电路以后，数字电路就以一定的时钟节拍工作，我们把数字信号每秒钟跳变的比较大速率称为信号的数据速率(BitRate),单位通常是bps(bitspersecond)或者bit/s。大部分并行总线的数据速率和系统中时钟的工作频率一致，比如某51系列单片机工作在11.0592MHz时钟下，其数据线上的数据速率就是11.0592Mbps;也有些特殊的场合采用DDR方式(DoubleDataRate)采样，数据速率是其时钟工作频率的2倍，比如某DDR4内存芯片，其工作时钟是1333MHz,其数据速率是2666Mbps。还有些高速传输的情况，比如PCle、USB3.0、SATA、RapidIO、100G以太网等总线，时钟信息是通过编码嵌入在数据流中，这种情况下虽然在外部看不到有专门的时钟传输通道，但是其工作起来仍然有特定的数据速率。

值得注意的是，在同步电路中，如果要得到稳定的逻辑状态，对于采样时钟和信号间的时序关系是有要求的。比如，如果时钟的有效边沿正好对应到数据的跳变区域附近，可能会采样到不可靠的逻辑状态。数字电路要得到稳定的逻辑状态，通常都要求在采样时钟有效边沿到来时被采信号已经提前建立一个新的逻辑状态，这个提前的时间通常称为建立时间(SetupTime);同样，在采样时钟的有效边沿到来后，被采信号还需要保持这个逻辑状态一定时间以保证采样数据的稳定，这个时间通常称为保持时间(HoldTime)。如图1.6所示是一个典型的D触发器对建立和保持时间的要求。Data信号在CLK信号的有效边沿到来t、前必须建立稳定的逻辑状态，在CLK有效边沿到来后还要保持当前逻辑状态至少tn这么久，否则有可能造成数据采样的错误。数字信号的眼图分析（Eye Diagram Analysis）;

数字信号的上升时间(Rising Time)

任何一个真实的数字信号在由一个逻辑电平状态跳转到另一个逻辑电平状态时,其中间的过渡时间都不会是无限短的。信号电平跳变的过渡时间越短，说明信号边沿越陡。我们通常使用上升时间(RisingTime)这个参数来衡量信号边沿的陡缓程度，通常上升时间是指数字信号由幅度的10%增加到幅度的90%所花的时间(也有些场合会使用20%～80%的上升时间或其他标准)。上升时间越短，说明信号越陡峭。大部分数字信号的下降时间(信号从幅度的90%下降到幅度的10%所花的时间)和上升时间差不多(也有例外)。图1.2比较了两种不同上升时间的数字信号。上升时间可以客观反映信号边沿的陡缓程度，而且由于计算和测量简单，所以得到的应用。对有些非常高速的串行数字信号，如PCIe、USB3.0、100G以太网等信号，由于信号速率很高，传输线对信号的损耗很大，信号波形中很难找到稳定的幅度10%和90%的位置，所以有时也会用幅度20%～80%的上升时间来衡量信号的陡缓程度。通常速率越高的信号其上升时间也会更陡一些(但不一定速率低的信号上升时间一定就缓),上升时间是数字信号分析中的一个非常重要的概念，后面我们会反复提及和用到这个概念。 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。数字信号数字信号测试服务热线

数字信号的波形分析（Waveform Analysis）;数字信号数字信号测试服务热线

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。
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