对数字信号的影响--数字工程师要掌握的射频知识连载(二)
真正的传输通道如PCB、电缆、背板、连接器等的带宽都是有限的,这就会把原始信号里的高频成分销弱或完全滤掉,高频成分丢失后在波形上的表现就是信号的边沿变缓、信号上出现过冲或者震荡等。
另外,根据法拉第定律,变化的信号跳变会在导体内产生涡流以抵消电流的变化。电流的变化速率越快(对数字信号来说相当于信号的上升或下降时间越短),导体内的涡流越强烈。当数据速率达到约1Gb/s以上时,导体内信号的电流和感应的电流基本完全抵消,净电流仅被限制在导体的表面上流动,这就是趋肤效应。趋肤效应会增大损耗并改变电路阻抗,阻抗的改变会改变信号的各次谐波的相位关系,从而造成信号的失真。
除此以外,最常用来制造电路板的FR-4介质是玻璃纤维编织成的,其均匀性和对称性都比较差,同时FR-4材料的介电常数还和信号频率有关,所以信号中不同频率分量的传输速度也不一样。传输速度的不同会进一步改变信号中各个谐波成分的相位关系,从而使信号更加恶化。
因此,当高速的数字信号在PCB上传输时,信号的高频分量由于损耗会被销弱,各个不同的频率成分会以不同的速度传输并在接收端再叠加在一起,同时又有一部分能量在阻抗不连续点如过孔、连接器或线宽变化的地方产生多次反射,这些效应的组合都会严重改变波形的形状。要对这么复杂的问题进行分析是一个很大的挑战。
值得注意的一点是,信号的幅度衰减、上升/下降时间的改变、传输时延的改变等很多因素都和频率分量有关,不同频率分量受到的影响是不一样的。而对数字信号来说,其频率分量又和信号中传输的数字符号有关(比如0101的码流和0011的码流所代表的频率分量就不一样),所以不同的数字码流在传输中受到的影响都不一样,这就是码间干扰ISI(inter-symbol interference ISI)。
注:关于传输通道影响以及ISI的概念也可以参考本人刚出版的《高速数字接口原理与测试指南》一书。
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