云南数字信号测试系列

要把并行的信号通过串行总线传输，一般需要对数据进行并/串转换。为了进一步减少传输线的数量和提高传输距离，很多高速数据总线采用嵌入式时钟和8b/10b的数据编码方式。8b/10b编码由于直流平衡、支持AC耦合、可嵌入时钟信息、抗共模干扰能力强、编解码结构相对简单等优点，在很多高速的数字总线如FiberChannel、PCIe、SATA、USB3.0、DisplayPort、XAUI、RapidIO等接口上得到广泛应用。图1.20是一路串行的2.5Gbps的8b/10b编码后的数据流以及相应的解码结果，从中可以明显看到解出的K28.5等控制码以及相应的数据信息。传统的数字信号带宽计算；云南数字信号测试系列

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。 河南电气性能测试数字信号测试数字信号的波形分析（Waveform Analysis）;

理想的跳变位置。抖动是个相对的时间量，怎么确定信号的理想的跳变位置对于 抖动的测量结果有很关键的影响。对于时钟信号的测量，我们通常关心的是时钟信号是否 精确地等间隔，因此这个理想位置通常是从被测信号中提取的一个等周期分布时钟的跳变 沿；而对于数据信号的测量，我们关心的是这个信号相对于其时钟的位置跳变，因此这个理 想跳变位置就是其时钟有效沿的跳变位置。对于很多采用嵌入式时钟的高速数字电路来 说，由于没有专门的时钟传输通道，情况要更复杂一些，这时的理想跳变位置通常是指用一 个特定的时钟恢复电路(可能是硬件的也可能是软件的)从数据中恢复出的时钟的有效跳 变沿。

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， 数字信号处理系统的性能取决于3个因素：采样频率、架构、字长。

数据经过8b/10b编码后有以下优点：

(1)有足够多的跳变沿，可以从数据中进行时钟恢复。正常传输的数据中可能会有比较长的连续的0或者连续的1,而进行完8b/10b编码后，其编码规则保证了编码后的数据流中不会出现超过5个连续的0或1,信号中会出现足够多的跳变沿，因此可以采用嵌入式的时钟方式，即接收端可以从数据流中通过PLL电路直接恢复时钟，不需要专门的时钟传输通道。

(2)直流平衡，可以采用AC耦合方式。经过编码后数据中不会出现连续的0或者1, 但还是有可能在某个时间段内0或者1的数量偏多一些。从上面的编码表中我们可以看 到，同一个Byte对应有正、负两组10bit的编码， 一个编码中1的数量多一些，另一个编码中 0 的数量多一些。数据在对当前的Byte进行8b/10b编码传输时，会根据前面历史传输的 数据中正负bit的数量来选择使用哪一组编码，从而可以保证总线上正负bit的数量在任何 时刻基本都是平衡的，也就是直流点不会发生大的变化。直流点平衡以后，在信号传输的路 径上我们就可以采用AC耦合方式(常用的方法是在发送端或接收端串接隔直电容),这  样信号对于收发端的地电平变化和共模噪声的抵抗能力进一步增强，可以传输更远的距离。 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。河南电气性能测试数字信号测试

数字信号的抖动（Jitter）;云南数字信号测试系列

采用前向时钟的总线因为有专门的时钟通路，不需要再对数据进行编解码，所以总线效率一般都比较高。还有一个优点是线路噪声和抖动对于时钟和数据线的影响基本是一样的(因为走线通常都在一起),所以对系统的影响可以消除到小。

嵌入式时钟的电路对于线路上的高频抖动非常敏感，而采用前向时钟的电路对高频抖动的敏感度就相对小得多。前向时钟总线典型的数据速率在500Mbps～12Gbps.

在前向时钟的拓扑总线中，时钟速率通常是数据速率的一半(也有采用1/4速率、1/10或其他速率的),数据在上下边沿都采样，也就是通常所说的DDR方式。使用DDR采样的好处是时钟线和数据线在设计上需要的带宽是一样的，任何设计上的局限性(比如传输线的衰减特性)对于时钟和数据线的影响是一样的。

前向时钟在一些关注效率、实时性，同时需要高吞吐量的总线上应用比较，比如DDR总线、GDDR总线、HDMI总线、Intel公司CPU互连的QPI/UPI总线等。 云南数字信号测试系列