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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。
数字信号常用的编码方式有哪些？设备数字信号测试保养

数字信号的均衡(Equalization)

前面介绍了预加重或者去加重技术对于克服传输通道损耗、改善高速数字信号接收端信号质量的作用，但是当信号速率进一步提高或者传输距离更长时，**在发送端已不能充分补偿传输通道带来的损耗，这时就需要在接收端同时使用均衡技术来进一步改善信号质量。所谓均衡，是在数字信号的接收端进行的一种补偿高频损耗的技术。常见的信号均衡技术有3种：CTLE(ContinuousTimeLinearEqualization)、FFE(FeedForwardEqualization)和DFE(DecisionFeedbackEqualization).CTLE是在接收端提供一个高通滤波器，这个高通滤波器可以对信号中的主要高频分量进行放大，这一点和发送端的预加重技术带来的效果是类似的。有些速率比较高的总线，为了适应不同链路长度损耗的影响，还支持多挡不同增益的CTLE均衡器。图1.35是PCle5.0总线在接收端使用的CTLE均衡器的频响曲线的例子。 黑龙江电气性能测试数字信号测试对于一个数字信号，要进行可靠的0、1信号传输，就必须满足一定的电平、幅度、时序等标准的要求。

预加重是一种在发送端事先对发送信号的高频分量进行补偿的方法，这种方法的实现是通过增大信号跳变边沿后个比特(跳变比特)的幅度(预加重)来完成的。比如对于一个00111的比特序列来说，做完预加重后序列里个1的幅度会比第二个和第三个1的幅度大。由于跳变比特了信号里的高频分量，所以这种方法实际上提高了发送信号中高频信号的能量。在实际实现时，有时并不是增加跳变比特的幅度，而是相应减小非跳变比特的幅度，减小非跳变比特幅度的这种方法有时又叫去加重(De-emphasis)。图1.26反映的是预加重后信号波形的变化。

对于预加重技术来说，其对信号改善的效果取决于其预加重的幅度的大小，预加重的幅度是指经过预加重后跳变比特相对于非跳变比特幅度的变化。预加重幅度的计算公式如图1.27所示。数字总线中经常使用的预加重有3.5dB、6dB、9.5dB等。对于6dB的预加重来说，相当于从发送端看，跳变比特的电压幅度是非跳变比特电压幅度的2倍。

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， 数字此案好的上升时间（Rising Time）;

基本上可以看到数字信号的频域分量大部分集中在1/7U,这个频率以下，我们可以将这个频率称之为信号的带宽，工程上可以近似为0.35/0,当对设计要求严格的时候，也可近似为0.5/rro

也就是说，叠加信号带宽（0.35/。）以下的频率分量基本上可以复现边沿时间是tr的数字时;域波形信号。这个频率通常也叫作转折频率或截止频率（Fknee或cutofffrequency）

*信号的能量大部分集中在信号带宽以下，意味着我们在考虑这个信号的传输效应时，主要关注比较高频率可以到信号的带宽。

所以，假如在数字信号的传输过程中可以保证在信号的带宽（0.35亿）以下的频率分量（模拟信号）经过互连路径的质量，则我们可以保证接收到比较完整的数字信号。

然而，我们会在下面看到在考虑信号完整性问题时由于传输路径阻抗不连续对信号的反射，损耗随频率的增加而增加的特性等因素，这些频率分量在传输时会有畸变，从而造成接收到的各个频率的分量叠加在时并不能完全保证复现原有的时域的数字信号。 数字总线采用的时钟 分配方式大体上可以分为3类，即并行时钟、嵌入式时钟、前向时钟，各有各的应用领域。设备数字信号测试保养

数字信号的时钟分配（Clock Distribution）;设备数字信号测试保养

采用这种时钟恢复方式后，由于CDR能跟踪数据中的 一 部分低频抖动，所以数据传输 中增加的低频抖动对于接收端采样影响不大，因此更适于长距离传输。(不过由于受到环路 滤波器带宽的限制，数据线上的高频抖动仍然会对接收端采样产生比较大的影响。)

采用嵌入式时钟的缺点在于电路的复杂度增加，而且由于数据编码需要一些额外开销，降低了总线效率。

随着技术的发展，一些对总线效率要求更高的应用中开始采用另一种时钟分配方式，即前向时钟(ForwardClocking)。前向时钟的实现得益于DLL(DelayLockedLoop)电路的成熟。DLL电路比较大的好处是可以很方便地用成熟的CMOS工艺大量集成，而且不会增加抖动。

一个前向时钟的典型应用，总线仍然有单独的时钟传输通路，而与传统并行总线所不同的是接收端每条信号路径上都有一个DLL电路。电路开始工作时可以有一个训练的过程，接收端的DLL在训练过程中可以根据每条链路的时延情况调整时延，从而保证每条数据线都有充足的建立/保持时间。 设备数字信号测试保养