數(shù)字工程師要掌握的射頻知識(shí)連載（二）

　　通過(guò)前面的研究我們知道數(shù)字信號(hào)的頻譜是分布很寬的，其最高的頻率分量范圍主要取決于信號(hào)的上升時(shí)間而不僅僅是數(shù)據(jù)速率。當(dāng)這樣高帶寬的數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí)，所面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是傳輸通道的影響。

　　真正的傳輸通道如PCB、電纜、背板、連接器等的帶寬都是有限的，這就會(huì)把原始信號(hào)里的高頻成分銷弱或完全濾掉，高頻成分丟失后在波形上的表現(xiàn)就是信號(hào)的邊沿變緩、信號(hào)上出現(xiàn)過(guò)沖或者震蕩等。

　　另外，根據(jù)法拉第定律，變化的信號(hào)跳變會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流以抵消電流的變化。電流的變化速率越快(對(duì)數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于信號(hào)的上升或下降時(shí)間越短)，導(dǎo)體內(nèi)的渦流越強(qiáng)烈。當(dāng)數(shù)據(jù)速率達(dá)到約1Gb/s以上時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)信號(hào)的電流和感應(yīng)的電流基本完全抵消，凈電流僅被限制在導(dǎo)體的表面上流動(dòng)，這就是趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)會(huì)增大損耗并改變電路阻抗，阻抗的改變會(huì)改變信號(hào)的各次諧波的相位關(guān)系，從而造成信號(hào)的失真。

　　除此以外，最常用來(lái)制造電路板的FR-4介質(zhì)是玻璃纖維編織成的，其均勻性和對(duì)稱性都比較差，同時(shí)FR-4材料的介電常數(shù)還和信號(hào)頻率有關(guān)，所以信號(hào)中不同頻率分量的傳輸速度也不一樣。傳輸速度的不同會(huì)進(jìn)一步改變信號(hào)中各個(gè)諧波成分的相位關(guān)系，從而使信號(hào)更加惡化。

　　因此，當(dāng)高速的數(shù)字信號(hào)在PCB上傳輸時(shí)，信號(hào)的高頻分量由于損耗會(huì)被銷弱，各個(gè)不同的頻率成分會(huì)以不同的速度傳輸并在接收端再疊加在一起，同時(shí)又有一部分能量在阻抗不連續(xù)點(diǎn)如過(guò)孔、連接器或線寬變化的地方產(chǎn)生多次反射，這些效應(yīng)的組合都會(huì)嚴(yán)重改變波形的形狀。要對(duì)這么復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行分析是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

　　值得注意的一點(diǎn)是，信號(hào)的幅度衰減、上升/下降時(shí)間的改變、傳輸時(shí)延的改變等很多因素都和頻率分量有關(guān)，不同頻率分量受到的影響是不一樣的。而對(duì)數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，其頻率分量又和信號(hào)中傳輸?shù)臄?shù)字符號(hào)有關(guān)(比如0101的碼流和0011的碼流所代表的頻率分量就不一樣)，所以不同的數(shù)字碼流在傳輸中受到的影響都不一樣，這就是碼間干擾ISI(inter-symbol interference ISI)。

　　注：關(guān)于傳輸通道影響以及ISI的概念也可以參考本人剛出版的《高速數(shù)字接口原理與測(cè)試指南》一書。