為什么數(shù)字工程師需要射頻知識(shí)?

　　在很多高速應(yīng)用如計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域，很多數(shù)字總線的數(shù)據(jù)速率都達(dá)到了Gb/s以上甚至更高。傳統(tǒng)上我們認(rèn)為的0、1的理想的數(shù)字信號(hào)開始更多地表現(xiàn)出其射頻的特性。真實(shí)的數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中，也越來越多地表現(xiàn)出其微波電路的特性。

　　在對(duì)這些高速信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，傳統(tǒng)的時(shí)域分析方法面臨精度不夠以及分析手段欠缺等問題，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(duì)于高速數(shù)字信號(hào)的分析和測(cè)量也越來越多地開始采用一些射頻或微波的分析方法。數(shù)字設(shè)計(jì)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(shù)字信號(hào)，比如要用頻域的手段分析信號(hào)的頻譜，用S參數(shù)分析傳輸路徑的反射、損耗等。

　　為了幫助廣大的數(shù)字測(cè)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(shù)字工程師需要掌握的射頻知識(shí)》的文章，這篇文章最早發(fā)表在2013年的EDI CON會(huì)議上，現(xiàn)在拿出來和大家共享。

　　要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的分析，首要的原因是真實(shí)傳輸?shù)母咚贁?shù)字信號(hào)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是教科書里理想的0/1電平。真實(shí)的數(shù)字信號(hào)傳輸過程中一定會(huì)有一些(甚至很嚴(yán)重的)失真和變形。如下圖所示紅色是我們期望的理想的數(shù)字信號(hào)波形，而黃色的則可能是真實(shí)的信號(hào)波形，可以看到信號(hào)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(hào)波形了，很多時(shí)候信號(hào)的波形會(huì)比這個(gè)更加惡劣。

　　要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的研究，首先要得到真實(shí)的數(shù)字信號(hào)波形，這就涉及到使用的測(cè)量?jī)x器問題。觀察電信號(hào)的波形的最好工具是示波器，當(dāng)信號(hào)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(hào)里的高頻成分會(huì)被濾掉，觀察到的數(shù)字信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生失真。很多數(shù)字工程師會(huì)習(xí)慣用諧波來估算信號(hào)帶寬，但是這種方法不太準(zhǔn)確。

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

　　但是對(duì)于真實(shí)的數(shù)字信號(hào)來說，其上升沿不是無限陡，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(hào)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(hào)的主要頻譜能量都集中在5GHz以內(nèi)，并不見得250MHz的頻譜分布就一定比50MHz的大5倍。

　　對(duì)于真實(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)來說，其頻譜會(huì)更加復(fù)雜一些。比如偽隨機(jī)序列(PRBS)碼流的頻譜的包絡(luò)是一個(gè)Sinc函數(shù)。下圖是用同一個(gè)發(fā)射機(jī)分別產(chǎn)生的800Mbps和2.5Gbps的PRBS信號(hào)的頻譜，我們可以看到雖然輸出數(shù)據(jù)速率不一樣，但是信號(hào)的主要頻譜能量都集中在4GHz以內(nèi)，也并不見得2.5Gbps信號(hào)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(cè)量得到的。雖然現(xiàn)代的數(shù)字示波器都已經(jīng)具備了數(shù)字FFT的功能可以幫助用戶觀察信號(hào)頻譜，但是由于ADC位數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍的限制，頻譜儀仍然是對(duì)信號(hào)能量的頻率分布進(jìn)行分析的最準(zhǔn)確的工具，所以數(shù)字工程師可以借助于頻譜分析儀對(duì)被測(cè)數(shù)字信號(hào)的頻譜分布進(jìn)行分析。當(dāng)沒有頻譜儀可用時(shí)，我們通常根據(jù)數(shù)字信號(hào)的上升時(shí)間去估算被測(cè)信號(hào)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%)

　　注：歷史上有很多根據(jù)數(shù)字信號(hào)的上升時(shí)間估算帶寬的估算公式，上面提供的公式是對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行帶寬估算最常用的方法。這個(gè)公式來源于霍華德先生寫的《高速數(shù)字設(shè)計(jì)》這部經(jīng)典的信號(hào)完整性書籍。關(guān)于其具體的來源和含義也可以參考本人剛出版的《高速數(shù)字接口原理與測(cè)試指南》一書。