一、前语
跟着人们关于海量数据传输和存储的需求，越来越多的数字总线数据速率到达了Gbit/s以上，比方HDMI的数据速率到达3.4Gb/s，USB3.0的数据速率到达5Gb/s，SATA的数据速率到达6Gb/s，PCIE3.0的数据速率到达8Gb/s，通信中也越来越多选用10Gb/s或25Gb/s的速率进行信号传输。这些数字信号的数据速率现已到达乃至超过了咱们传统上所说的射频或微波的频段，实在的数字信号在传输过程中，也越来越多地体现出其微波电路的特性。
在对这些高速信号进行剖析时，传统的时域剖析办法面对精度不行以及剖析手法短缺等问题，而射频微波范畴的频域的剖析手法则十分老练和完善。因而，关于高速数字信号的剖析和丈量也越来越多地开端选用一些射频或微波的剖析办法。
二、数字信号的带宽
要进行数字信号的剖析，首要的原因是实在传输的高速数字信号现已远远不是教科书里抱负的0/1电平。实在的数字信号传输过程中必定会有一些（乃至很严峻的）失真和变形。
图1.抱负和实在数字信号的差异
要进行数字信号的研讨，首先要得到实在的数字信号波形，这就涉及到运用的丈量仪器问题。调查电信号的波形的最好东西是示波器，当信号速率比较高时，一般所需求的示波器带宽也更高。假如运用的示波器带宽不行，信号里的高频成分会被滤掉，调查到的数字信号也会发生失真。许多数字工程师会习惯用谐波来预算信号带宽，可是这种办法不太准确。
关于一个抱负的方波信号，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，因而一个抱负方波能够认为是无限多奇次正弦谐波的叠加。
可是关于实在的数字信号来说，其上升沿不是无限陡，因而其高次谐波的能量会遭到约束。比方下图是用同一个时钟源别离发生的50Mhz和250MHz的时钟信号的频谱，咱们能够看到尽管输出时钟频率不相同，可是信号的首要频谱能量都会集在5GHz以内，并不见得250MHz的频谱散布就必定比50MHz的大5倍。
图2.同一信号源发生的不同频率时钟信号的频谱
关于实在的数据信号来说，其频谱会愈加杂乱一些。比方伪随机序列（PRBS）码流的频谱的包络是一个Sinc函数。下图是用同一个发射机别离发生的800Mbps和2.5Gbps的PRBS信号的频谱，咱们能够看到尽管输出数据速率不相同，可是信号的首要频谱能量都会集在4GHz以内，也并不见得2.5Gbps信号的高频能量就比800Mbps的高许多。
图3.同一信号源发生的不同速率数字信号的频谱
频谱仪是对信号能量的频率散布进行剖析的最准确的东西，所以数字工程师能够借助于频谱剖析仪对被测数字信号的频谱散布进行剖析。当没有频谱仪可用时，咱们一般依据数字信号的上升时间去预算被测信号的频谱能量：
Maximum signal frequency content = 0.4/fastest rise or fall time (20 – 80%)
Or
Maximum signal frequency content = 0.5/fastest rise or fall time (10 – 90%)
三、传输线对数字信号的影响
经过前面的研讨咱们知道数字信号的频谱是散布很宽的，其最高的频率重量规模首要取决于信号的上升时间而不只仅是数据速率。当这样高带宽的数字信号在传输时，所面对的第一个应战便是传输通道的影响。
实在的传输通道如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彻底滤掉，高频成分丢掉后在波形上的体现便是信号的边缘变缓、信号上呈现过冲或许震动等。
别的，依据法拉第规律，改动的信号跳变会在导体内发生涡流以抵消电流的改动。电流的改动速率越快（对数字信号来说相当于信号的上升或下降时间越短），导体内的涡流越激烈。当数据速率到达约1Gb/s以上时，导体内信号的电流和感应的电流根本彻底抵消，净电流仅被约束在导体的表面上活动，这便是趋肤效应。趋肤效应会增大损耗并改动电路阻抗，阻抗的改动会改动信号的各次谐波的相位联系，然后形成信号的失真。
除此以外，最常用来制作电路板的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，一起FR-4资料的介电常数还和信号频率有关，所以信号中不同频率重量的传输速度也不相同。传输速度的不同会进一步改动信号中各个谐波成分的相位联系，然后使信号愈加恶化。
因而，当高速的数字信号在PCB上传输时，信号的高频重量因为损耗会被销弱，各个不同的频率成分会以不同的速度传输并在接纳端再叠加在一起，一起又有一部分能量在阻抗不接连点如过孔、连接器或线宽改动的当地发生屡次反射，这些效应的组合都会严峻改动波形的形状。要对这么杂乱的问题进行剖析是一个很大的应战。
值得注意的一点是，信号的起伏衰减、上升/下降时间的改动、传输时延的改动等许多要素都和频率重量有关，不同频率重量遭到的影响是不相同的。而对数字信号来说，其频率重量又和信号中传输的数字符号有关（比方0101的码流和0011的码流所代表的频率重量就不相同），所以不同的数字码流在传输中遭到的影响都不相同，这便是码间搅扰ISI（inter-symbol interference ISI）。
图4.遭到严峻码间搅扰的高速数字信号
为了对这么杂乱的传输通道进行剖析，咱们能够经过传输通道冲击呼应来研讨其对信号的影响。电路的冲击呼应能够经过传输一个窄脉冲得到。抱负的窄脉冲应该是宽度无限窄、十分高起伏的一个窄脉冲，当这个窄脉冲沿着传输线传输时，脉冲会被展宽，展宽后的形状和线路的呼应有关。从数学上来说，咱们能够把通道的冲击呼应和输入信号卷积得到经通道传输今后信号的波形。冲击呼应还能够经过通道的阶跃呼应得到，因为阶跃呼应的微分便是冲击呼应，所以两者是等价的。
看起来咱们如同找到了解决问题的办法，可是，在实在状况下，抱负窄的脉冲或许无限陡的阶跃信号是不存在的，不只难以发生并且精度欠好操控，所以在实践测验中更多地是运用正弦波进行测验得到频域呼应，并经过相应的物理层测验体系软件得到时域呼应。比较其它信号，正弦波更简略发生，一起其频率和起伏精度更简略操控。矢量网络剖析仪VNA（vector network analyzer）能够在高达几十GHz的频率规模内经过正弦波扫频的方法准确丈量传输通道对不同频率的反射和传输特性，动态规模达100dB以上，所以现代在进行高速传输通道剖析时首要会用矢量网络剖析仪去进行丈量。
被测体系关于不同频率正弦波的反射和传输特性能够用S参数（S-parameter）表明，S参数描绘的是被测件关于不同频率的正弦波的传输和反射的特性。假如咱们能够得到传输通道关于不同频率的正弦波的反射和传输特性，理论上咱们就能够猜测实在的数字信号经过这个传输通道后的影响，因为实在的数字信号在频域上看能够认为是由许多不同频率的正弦波组成的。
关于一个单端的传输线来说，其包括4个S参数：S11、S22、S21、S12。S11和S22别离反映的是1端口和2端口关于不同频率正弦波的反射特性，S21反映的是从1端口到2端口的不同频率正弦波的传输特性，S12反映的是从2端口到1端口的不同频率正弦波的传输特性。关于差分的传输线来说，因为共有4个端口，所以其S参数更杂乱一些，一共有16个。一般状况下会运用4端口乃至更多端口的矢量网络剖析仪对差分传输线进行丈量以得到其S参数。
图5.差分传输线的S参数模型
假如得到了被测差分线的16个S参数，这对差分线的许多重要特性就现已得到了，比方说SDD21参数就反映了差分线的插入损耗特性、SDD11参数就反映其回波损耗特性。
咱们还能够进一步经过对这些S参数做过反FFT改换得到更多信息。比方对SDD11参数改换得到时域的反射波形（TDR:Time Domain Reflection），经过时域反射波形能够反映出被测传输线上的阻抗改动状况。咱们还能够对传输线的SDD21成果做反FFT改换得到其冲击呼应，然后猜测出不同数据速率的数字信号经过这对差分线今后的波形或许眼图。这关于数字规划工程师都是些十分有用的信息。
图6.矢量网络剖析仪测到的通道插损及剖分出的信号眼图
用矢量网络剖析仪（VNA）对数字信号的传输通道进行丈量，一方面学习了射频微波的剖析手法，能够在几十GHz的频率规模内得到十分准确的传输通道的特性；另一方面，经过对丈量成果进行一些简略的时域改换，咱们就能够剖分出通道上的阻抗改动、对实在信号传输的影响等，然后协助数字工程师在前期阶段就能够判别出背板、电缆、连接器、PCB等的好坏，而不用比及最终信号出问题时再去匆忙应对。
