中国台湾电气性能测试数字信号测试

建立时间和保持时间加起来的时间称为建立/保持时间窗口，是接收端对于信号保持在 同一个逻辑状态的**小的时间要求。数字信号的比特宽度如果窄于这个时间窗口就肯定无 法同时满足建立时间和保持时间的要求，所以接收端对于建立/保持时间窗口大小的要求实 际上决定了这个电路能够工作的比较高的数据速率。通常工 作速率高一些的芯片，很短的建 立时间、保持时间就可以保证电路可靠工作，而工作速率低一 些的芯片则会要求比较长的建 立时间和保持时间。

另外要注意的是， 一个数字电路能够可靠工作的比较高数据速率不仅取决于接收端对于 建立/保持时间的要求，输出端的上升时间过缓、输出幅度偏小、信号和时钟中有抖动、信号 有畸变等很多因素都会消耗信号建立/保持时间的裕量。因此一个数字电路能够达到的比较高数据传输速率与发送芯片、接收芯片以及传输路径都有关系。

建立时间和保持时间是数字电路非常重要的概念，是接收端可靠信号接收的**基本要 求，也是数字电路可靠工作的基础。可以说，大部分数字信号的测量项目如数据速率、信号 幅度、眼图、抖动等的测量都是为了间接保证信号满足接收端对建立时间和保持时间的要 求，在以后章节的论述中我们可以慢慢体会。 上升时间是数字信号另一个非常关键的参数，它反映了一个数字信号在电平切换时边沿变化的快慢。中国台湾电气性能测试数字信号测试

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。中国台湾电气性能测试数字信号测试数字信号的建立/保持时间（Setup/Hold Time）;

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。

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。 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。

我们经常使用到的总线根据数据传输方式的不同，可以分为并行总线和串行总线。

并行总线是数字电路中早也是普遍采用的总线结构。在这种总线上，数据线、地址线、控制线等都是并行传输，比如要传输8位的数据宽度，就需要8根数据信号线同时传输；如果要传输32位的数据宽度，就需要32根数据信号线同时传输。除了数据线以外，如果要寻址比较大的地址空间，还需要很多根地址线的组合来不同的地址空间。图1.7是一个典型的微处理器的并行总线的工作时序，其中包含了1根时钟线、16根数据线、16根地址线以及一些读写控制信号。 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；中国香港数字信号测试高速信号传输

数字信号取值是散的，通过数学方法对原有信号处理，编码成二进制信号后，再载波的方式发送编码后的数字流。中国台湾电气性能测试数字信号测试

对于真实的数据信号来说，其频谱会更加复杂一些。比如伪随机序列(PRBS)码流的频谱的包络类似一个sinc函数。图1.4是用同一个发送芯片分别产生的800Mbps和2.5Gbps的PRBS信号的频谱，可以看到虽然输出数据速率不一样，但是信号的主要频谱能量集中在4GHz以内，也并不见得2.5Gbps信号的高频能量就比800Mbps的高很多。

频谱仪是对信号能量的频率分布进行分析的准确的工具，数字工程师可以借助频谱分析仪对被测数字信号的频谱分布进行分析。当没有频谱仪可用时，我们通常根据数字信号的上升时间估算被测信号的频谱能量：

信号的比较高频率成分=0.5/信号上升时间(10%～90%)

或者当使用20%～80%的上升时间标准时，计算公式如下：

信号的比较高频率成分=0.4/信号上升时间(20%～80%) 中国台湾电气性能测试数字信号测试

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