經驗法則:如何計算高速信號的帶寬?
在時域中,波形有時會非常復雜,本文的目的是總結出一個經驗規則,找到簡單的方法計算高速信號的帶寬。當然,經驗法則的價值在于幫助校正我們的直覺,并迅速得到一個粗略的答案,它不可直接用于設計。
眾所周知,不歸零編碼是轉換效率最高的數據編碼方式,編碼完成后是10101010的數據流,看起來像一個時鐘,。如圖1所示的例子。
圖1 :具有最高轉換率的不歸零編碼看起來像一個時鐘波形。
在上面的例子中,每個時鐘周期內有兩位數據位被編碼,數據間隔為半個時鐘周期,這意味著在數據傳輸的比特率是基本時鐘頻率的一半,我們稱此相關的時鐘頻率是奈奎斯特頻率。注意不能將其與奈奎斯特采樣速率混淆,因為在這種方式中,每個時鐘周期有2個比特,數據比特率高于奈奎斯特頻率,Nyquist頻率是比特率的一半。
如果我們知道時鐘信號的時鐘頻率,帶寬就可以基于這樣的假設進行估算---假設信號的上升時間是周期的7%,這樣帶寬就約等于時鐘頻率的5倍。這也就是咱們前面提到的經驗法則前半部分:根據信號上升時間計算信號帶寬。具體來說,對于PRBS信號,因為當上升時間是最短的,在發射端,其帶寬等于5倍奈奎斯特,也就是5 * ?比特率= 2.5 ×比特率。
舉個例子,假如比特率是10Gbit/s的,則在發射端的帶寬約為25GHz。
當然,前面的例子假定上升時間很短,約為7%的時鐘信號,或14%的用戶界面周期。
當然,這是假定上升時間會很短:7%的時鐘信號,或14%的UI周期。如果比特率被推到極限,上升時間可以長達25%的UI ,在這種情況下,帶寬將小于25GHz,這就是為什么我們需要知道上升時間的原因。如果我們不知道的上升時間,而采用“一錘子” 的計算方法,最終的結果是可能高估了帶寬。
信號沿信道向下傳輸,由于頻率相關的損失,上升時間將增加,這將減小信號的帶寬。在接收端,帶寬與發射端不同。在大多數的信道中,衰減尺度與頻率大致呈比。如果在奈奎斯特頻率有3dB衰減,則3次諧波有9 dB衰減,5次諧波為15db衰減。也即是說,與奈奎斯特第一諧波相比,所有的高次諧波將被呈現明顯地衰減。在圖2示的眼圖中,發射端具有非常高的帶寬,但通過有損信道以在奈奎斯特頻率(奈奎斯特頻率是存續的最高正弦波頻率)內的3dB衰減,接收信號看起來幾乎像是正弦波。
圖2 :接收端PRBS信號的眼圖
這也是我們前面提到的檢驗法則的后半部分:在有損信道,時鐘的第一個諧波是存續的最高頻率分量,并且數據信號的帶寬是奈奎斯特頻率,BW = ?比特率。例如,在接收端 ,一個10Gbit / s的信號通過有損信道的帶寬為約5GHz的。
現在,你試試吧:
1 ,如果我想在得到一個至少2倍原始信號帶寬的信號,基于第二代PCIe的信號波形的最低帶寬為多少?
2,在接收端 ,USB 3.1信號通過長電纜后,帶寬為多少?
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