數字信號并行總線與串行總線(Parallel and Serial Bus)

雖然隨著技術的發展，現代的數字芯片已經集成了越來越多的功能，但是對于稍微復雜  一點的系統來說，很多時候單獨一個芯片很難完成所有的工作，這就需要和其他芯片配合起  來工作。比如現在的CPU的處理能力越來越強，很多CPU內部甚至集成了顯示處理的功  能，但是仍然需要配合外部的內存芯片來存儲臨時的數據，需要配合橋接芯片擴展硬盤、 USB等接口；現代的FPGA內部也可以集成CPU、DSP、RAM、高速收發器等，但有些  場合可能還需要配合用的DSP來進一步提高浮點處理效率，配合額外的內存芯片來擴展  存儲空間，配合用的物理層芯片來擴展網口、USB等，或者需要多片FPGA互連來提高處  理能力。所有這一切，都需要用到相應的總線來實現多個數字芯片間的互連。如果我們把  各個功能芯片想象成人體的各個功能，總線就是血脈和經絡，通過這些路徑，各個功能  模塊間才能進行有效的數據交換和協同工作。 傳輸線對數字信號的影響；測量數字信號測試維修電話

反映的是一個5Gbps的信號經過35英寸的FR-4板材傳輸后的眼圖，以及經過CTLE均衡后對眼圖的改善。

FFE均衡的作用基本上類似于FIR(有限脈沖響應)濾波器，其方法是根據相鄰比特的電壓幅度的加權值進行當前比特幅度的修正，每個相鄰比特的加權系數直接和通道的沖激響應有關。下面是一個三階FFE的數學描述：

e(t)=cor(t-(0Tp))+cir(t-(1Tp))+czr(t-(2Tp))

式中，e(t)為時間t時的電壓波形，是經校正(或均衡)后的電壓波形；Tp為時間延遲(抽頭的時間延遲);r(t-nTp)為距離當前時間n個抽頭延遲之前的波形，是未經校正(或均衡)的波形；c,為校正系數(抽頭系數)。 中國香港校準數字信號測試數字此案好的上升時間（Rising Time）;

基本上可以看到數字信號的頻域分量大部分集中在1/7U,這個頻率以下，我們可以將這個頻率稱之為信號的帶寬，工程上可以近似為0.35/0,當對設計要求嚴格的時候，也可近似為0.5/rro

也就是說，疊加信號帶寬（0.35/。）以下的頻率分量基本上可以復現邊沿時間是tr的數字時;域波形信號。這個頻率通常也叫作轉折頻率或截止頻率（Fknee或cutofffrequency）

*信號的能量大部分集中在信號帶寬以下，意味著我們在考慮這個信號的傳輸效應時，主要關注比較高頻率可以到信號的帶寬。

所以，假如在數字信號的傳輸過程中可以保證在信號的帶寬（0.35億）以下的頻率分量（模擬信號）經過互連路徑的質量，則我們可以保證接收到比較完整的數字信號。

然而，我們會在下面看到在考慮信號完整性問題時由于傳輸路徑阻抗不連續對信號的反射，損耗隨頻率的增加而增加的特性等因素，這些頻率分量在傳輸時會有畸變，從而造成接收到的各個頻率的分量疊加在時并不能完全保證復現原有的時域的數字信號。

時間偏差的衡量方法。由于信號邊沿的時間偏差可能是由于各種因素造成的，有隨機的噪聲，還有確定性的干擾。所以這個時間偏差通常不是一個恒定值，而是有一定的統計分布，在不同的應用場合這個測量的結果可能是用有效值(RMS)衡量，也可能是用峰-峰值(peak-peak)衡量，更復雜的場合還會對這個時間偏差的各個成分進行分解和估計。因此抖動的精確測量需要大量的樣本以及復雜的算法。對抖動進行衡量和測量時，需要特別注意的是，即使對于同一個信號，如果用不同的方法進行衡量，得到的抖動測量結果也可能不一樣，下面是幾種常用的抖動測量項目。數字設備是由很多電路組成來實現一定的功能，系統中的各個部分通過數字信號的傳輸來進行信息和數據的交互。

采用串行總線以后，就單根線來說，由于上面要傳輸原來多根線傳輸的數據，所以其工作速率一般要比相應的并行總線高很多。比如以前計算機上的擴展槽上使用的PCI總線采用并行32位的數據線，每根數據線上的數據傳輸速率是33Mbps,演變到PCle(PCI-express)的串行版本后每根線上的數據速率至少是2.5Gbps(PCIel.0代標準),現在PCIe的數據速率已經達到了16Gbps(PCIe4.0代標準)或32Gbps(PCIe5.0代標準)。采用串行總線的另一個好處是在提高數據傳輸速率的同時節省了布線空間，芯片的功耗也降低了，所以在現代的電子設備中，當需要進行高速數據傳輸時，使用串行總線的越來越多。

數據速率提高以后，對于阻抗匹配、線路損耗和抖動的要求就更高，稍不注意就很容易產生信號質量的問題。圖1.10是一個典型的1Gbps的信號從發送端經過芯片封裝、PCB、連接器、背板傳輸到接收端的信號路徑，可以看到在發送端的接近理想的0、1跳變的數字信號到達接收端后由于高頻損耗、反射等的影響，信號波形已經變得非常惡劣，所以串行總線的設計對于數字電路工程師來說是一個很大的挑戰。 傳統的數字信號帶寬計算；中國澳門HDMI測試數字信號測試

示波器進行數字信號的幅度測試；測量數字信號測試維修電話

采用并行總線的另外一個問題在于總線的吞吐量很難持續提升。對于并行總線來說， 其總線吞吐量=數據線位數×數據速率。我們可以通過提升數據線的位數來提高總線吞吐  量，也可以通過提升數據速率來提高總線吞吐量。以個人計算機中曾經非常流行的PCI總  線為例，其**早推出時總線是32位的數據線，工作時鐘頻率是33MHz,其總線吞吐量=  32bit×33MHz;后來為了提升其總線吞吐量推出的PCI-X總線，把總線寬度擴展到64位， 工作時鐘頻率比較高提升到133MHz,其總線吞吐量=64bit×133MHz。是PCI插槽  和PCI-X插槽的一個對比，可以看到PCI-X由于使用了更多的數據線，其插槽更長。

但是隨著人們對于總線吞吐量要求的不斷提高，這種提升總線帶寬的方式遇到了瓶頸。首先由于芯片尺寸和布線空間的限制，64位數據寬度已經幾乎是極限了。另外，這64根數據線共用一個采樣時鐘，為了保證所有的信號都滿足其建立保持時間的要求，在PCB上布線、換層、拐彎時需要保證精確等長。而總線工作速率越高，對于各條線的等長要求就越高，對于這么多根信號要實現等長的布線是很難做到的。

用邏輯分析儀采集到的一個實際的8位總線的工作時序，可以看到在數據從0x00跳變到0xFF狀態過程中，這8根線實際并不是精確一起跳變的。 測量數字信號測試維修電話

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