0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

数字信号带宽的基础知识

CHANBAEK 来源:徐之 作者:锐志创新 2023-11-29 18:25 次阅读

带宽在不同的领域有不同的定义,通信领域,我们通常指的是信号带宽、信道带宽(单位为HZ),而在计算机中带宽,其实是数据的传输速率,单位是bit/s,这个区别要注意区分。

这篇文章所讨论的数字信号带宽的研究对象主要为:信号、信道。

一、基础知识回顾

1、什么是数字信号

数字信号是通过0、1的逻辑状态的变化来代表一定的含义,典型的数字信号用了两个不同的信号电平来分别代表0和1状态(有些复杂的数字电路会采用多个信号电平实现更多的信息传输),但是真实的世界并不存在理想的逻辑0和1的状态,所以真实情况下只是用一定的信号电平的电压范围来代表相应的逻辑状态。

以典型的3.3V的LVTTL信号为例,判决阈值的下限是0.8V,判决阈值的上限是2V,正是因为有判决阈值的存在,才让数字信号相对模拟信号来说有更强的可靠性和抗噪声的能力。但是这个强也是相对的,如果噪声或者干扰的影响使得信号的电压超过了正常的逻辑判决区间,数字信号仍然可能产生错误的数据传输,所以,在大量的场合进行数字信号质量分析和研究就是为了保证信号电平在其采样的时候满足基本的逻辑判决条件。

图片

注:当数字信号的电压位于判决阈值的上限和下限之间的时候,其逻辑状态是不确定的状态,。所谓的不确定是指接收端的判决电路可能把这个状态判断为逻辑0,也可能是逻辑1,这种不确定是我们不期望的,因此很多数字电路会尽量避免用这种不确定的状态进行传输,例如会用一个同步信号只在信号电平稳定以后进行采样。

2、奈奎斯特采样定理

奈奎斯特采样定理解释了采样率和所测信号频率之间的关系,即采样率fs必须大于被测信号最高频率fN的2倍,fN通常称为奈奎斯特频率。

fs>2*fN

如果采样信号的频率低于两倍奈奎斯特频率,采样数据中就会出现虚假的低频成分,这种现象称为混叠。

如下图显示了800KHZ正弦波1MS/S时的采样,虚线表示该采样率时记录的混叠信号。

图片

二、数字信号的上升时间(Tr)

数字信号从一个逻辑电平跳转到另外一个逻辑电平状态时(比如信号电平从低电平到高电平),其中间的过渡时间通常都不会是无限短的,跳变的过渡时间越短,说明信号的边沿也就越抖,我们通常用上升时间(Tr)这个参数来衡量信号边沿的抖缓程度,有两种标准:

(1)10%到90%

(2)20%到80%

注意:其中20%到80%的标准,是对有些非常高速的信号而言的,比如PCI-E、USB3.0、XAUI等信号,这些信号速率非常高,传输线对信号的损耗很大,很难找到稳定的10%和90%的幅度。

三、数字信号的带宽

数字信号的带宽是个非常重要的概念,这里从信号完整性领域下定义:

数字信号的带宽是指信号不失真情况下的频谱宽度( 注意不是数据速率** ),是频谱中最高有效正弦波分量的频率分量值,所有高于带宽的频率都可以忽略不计。可以理解为数字信号能量在频域的分布范围,但是由于数字信号不是正弦波,有很多高次谐波,所以研究这个问题会比较复杂。

数字信号的带宽决定了电路设计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。

注:在实际电路中不会存在一个界限,小于某个频点无损通过,而大于某个频点会产生100%的衰减,所以往往定义最高有效的正弦波频率分量为:

(1)时域上,谐波幅度高于相同基频理想方波中谐波幅度70%的那一点;

(2)频率上,实际波形的谐波分量开始比1/f下降更快的那个频率点(转折频率,低于正常幅度3dB)

1、传统的信号带宽计算

传统上硬件工程师习惯根据信号的5次谐波来计算带宽,如果信号的速率是100MHZ,那么其最快的0101跳变波形相当于50MHZ的方波时钟,这个方波的5次谐波成分是250MHZ,因此信号的带宽大概是250MHZ以内。

其数学分析基于,边沿时间一定小于周期的50%,但是在实际设计中,边沿要求小于时钟周期的10%,为了估计方便,边沿实际估算为时钟周期的7%(BW=0.35/RT)。所以,计算带宽为:

BW=0.75/(0.35xTclock)

基于上述公式,可以估算信号带宽是信号频率的5倍。但是这个经验计算往往是不准确的,如下图,不同的上升沿陡峭程度,带宽的差别是很大的。

图片

如上图所示,每个波形都有1GHZ的相同时钟频率,各个信号的上升沿不同,在周期中所占的比例不同,因此带宽也不同。

2、真实的数字信号频谱

对一个理想的方波信号,其上升沿是无限陡的,从频域上看,它是由无限多的奇数次谐波构成的,因此一个理想方波可以认为是无限多奇数次正弦谐波的叠加。

图片

图片

但是对于真实的数字信号而言,上升沿并不是无限陡的,因此其高次谐波的能量会受到限制,而且频谱成分会更加复杂。

比如伪随机序列(PRBS)码流的频谱的包络接近一个sinc函数。

3、基于上升沿的信号带宽计算

频谱仪是对信号能量的频率分布进行分析的最准确的工具,当没有频谱分析仪时,通常也可以根据信号的上升时间去估算信号的频谱能量。

信号的最高频率成分=0.5/Tr (10%~90%)

信号的最高频率成分=0.4/Tr (20%~80%)

四、互连带宽

互连带宽是指,能被互连传输且未造成有效损耗的最高正弦波分量,对于有损传输线来说,导线损耗和介质损耗对高频分量的衰减要大于低频分量的衰减,这种选择性的衰减使得互连中传播信号的带宽降低(也会造成ISI码间干扰问题);

互连的“有效”最高频率分量指的是:传输线频率分量幅度减小3dB(幅值70%),如下图所示,理想方波通过有损传输线传输,低于8GHZ的各个频率分量都能被传输,而且前后幅值都大致相同。

图片

互连带宽是对互连所能传输信号的最短边沿的度量,假设:互连带宽为1GHZ,那么它所能传输的最宽边沿RT=0.35/1GHZ=350ps(本征边沿时间),如果要使得互连对信号边沿时间的影响不超过10%,那么互连的带宽要大于信号带宽的2倍,即传输1GHZ带宽的信号,互连带宽至少需要2GHZ。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 通信
    +关注

    关注

    18

    文章

    5641

    浏览量

    133991
  • 带宽
    +关注

    关注

    3

    文章

    806

    浏览量

    39893
  • 计算机
    +关注

    关注

    19

    文章

    6531

    浏览量

    83656
  • 数字信号
    +关注

    关注

    2

    文章

    770

    浏览量

    47119
  • 信号带宽
    +关注

    关注

    0

    文章

    19

    浏览量

    2941
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    模拟信号数字信号基础知识

    信号是将数据从一个系统或网络传输到另一系统或网络的电磁或电流。在电子设备中,信号通常是随时间变化的电压,也是携带信息的电磁波,当然也可以是电流等其他形式。电子设备中使用的信号主要有两种类型:模拟
    发表于 06-29 11:43 2145次阅读
    模拟<b class='flag-5'>信号</b>与<b class='flag-5'>数字信号</b>的<b class='flag-5'>基础知识</b>

    请问如何解决数字信号电平测量?

    数字电视、数字传输、数据通信中,其信号是采用多种调制方式的数字信号,这时的数字信号电平已不能用一般传统的方法来定度和测量,本文将引入每赫兹
    发表于 04-09 06:25

    电信系统的数字信号基础知识

    电信系统的数字信号基础知识 数字信号由1和0组成。但这一陈述也有点使人迷惑本解:一个人怎 样才能将“1”或者“0”插入到线路上去呢?跟模拟传输中使用的变化电平不
    发表于 12-09 13:49 1485次阅读

    信号基础知识#29:数字接口—单端接口与差动接口的对比

    信号基础知识#29:数字接口—单端接口与差动接口的对比 本《信号基础知识》系列文章向您介绍了在将
    发表于 03-30 10:36 922次阅读
    <b class='flag-5'>信号</b>链<b class='flag-5'>基础知识</b>#29:<b class='flag-5'>数字</b>接口—单端接口与差动接口的对比

    数字信号处理及其matlab实现

    数字信号处理基础知识介绍 及其matlab实现,非常好的资料
    发表于 12-21 15:02 25次下载

    数字信号处理—数字滤波

    介绍数字信号处理—数字滤波的相关知识 有兴趣的可以参考下
    发表于 12-29 11:28 0次下载

    数字信号处理

    数字信号处理基础知识 有需要的朋友下来看看
    发表于 12-30 15:08 9次下载

    数字信号处理之数字滤波

    数字信号处理之数字滤波知识 介绍 需要的朋友下来看看
    发表于 12-30 15:07 4次下载

    数字信号与模拟信号的区别

    模拟电子的相关知识学习教材资料——数字信号与模拟信号的区别
    发表于 09-20 16:10 0次下载

    数字信号处理和DSP架构的基础知识及系列产品分析

    本视频介绍数字信号处理和DSP架构的基础知识。此外还将介绍ADI公司的处理器DSP系列产品,这类产品进入不同细分市场和应用的具体方式以及支持DSP系统开发所需的硬件和软件工具。
    的头像 发表于 07-08 06:06 3889次阅读

    数字信号处理(DSP)知识点分享

    简单的说,数字信号处理就是处理数字化后的信号,或者说用数值计算的手段来处理数字序列。一般来说,实际遇到的许多信号可能是模拟
    发表于 07-23 11:07 0次下载

    数字信号处理知识点总结

    数字信号处理知识点总结
    发表于 08-15 15:16 0次下载

    使用MATLAB进行数字信号处理-第2部分

    在Arduino DSP系列的第二部分中,我们将继续深入研究数字信号处理的基础知识。我们将学习数字滤波器的特性以及在MATLAB中处理信号时如何应用这些特性。
    的头像 发表于 02-24 09:51 1249次阅读
    使用MATLAB进行<b class='flag-5'>数字信号</b>处理-第2部分

    数字信号处理的基础知识

    本文是本系列的第一篇,参考杜勇老师的数字滤波器MATLAB和Verilog实现以及一些网文博客,更新顺序参考杜勇老师的书籍目录。本文主要介绍关于数字信号的一些基础知识
    的头像 发表于 05-22 16:11 2656次阅读
    <b class='flag-5'>数字信号</b>处理的<b class='flag-5'>基础知识</b>

    信号、系统和数字信号处理知识整理

    信号、系统和数字信号处理知识整理
    发表于 12-08 10:47 158次阅读
    <b class='flag-5'>信号</b>、系统和<b class='flag-5'>数字信号</b>处理<b class='flag-5'>知识</b>整理