数字工程师需要掌握的射频知识

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在这里，我们分两期为大家讲述了数字工程师需要掌握的射频知识，希望大家在内容上能够理解，并且在今后的工作中都有所帮助。

四、信号处理技术

既然传输通道的ISI的影响可以通过事先对传输通道的特性进行精确测量而预测出来，那么就有可能对其进行修正。发送端的预加重和接收端的均衡电路就是两种最常见的对通道传输的影响进行补偿的方法。传输通道最明显的影响是其低通的特性，即会对高频信号进行比较大的衰减。对于一个方波信号来说，其高次谐波对于信号形状的影响很大，如果所有高次谐波全部被衰减掉了，方波看起来就象个正弦波了。

预加重（Pre-emphasis）是一种在发送端事先对发送信号的高频分量进行补偿的方法。这种方法是增大信号跳变边沿后第一个bit（跳变bit）的幅度（预加重）。比如对于一个00111的序列来说，做完预加重后序列里第一个1的幅度会比第二个和第三个1的幅度大。由于跳变bit代表了信号里的高频分量，所以这种方法有助于提高发送信号里的高频分量。在实际实现时，有时并不是增加跳变bit的幅度，而是相应减小非跳变bit的幅度，这种方法有时又叫去加重（De-emphasis）。

图7. 预加重对信号的影响

当信号速率进一步提高或者传输距离较长时，仅仅使用发送端的预加重技术已不能充分补偿传输通道带来的损耗，这时就需要在接收端同时使用均衡技术来提高信号质量以保证正确的0/1判决。常见的信号均衡技术有3种：CTLE（continuous timelinear equalizer )，FFE（feed forwardequalization）和DFE（decision feedbackequalizer）。

CTLE是在接收端提供一个带通滤波器，这个带通滤波器可以对信号里的主要高频分量进行放大，这点和发送端的预加重技术带来的效果是类似的。FFE则是根据相邻bit的电压幅度的加权值来进行幅度的修正，每个相邻bit的加权系数直接和通道的冲击响应有关。CTLE和FFE都是线性均衡技术，而DFE则是非线性均衡技术。DFE技术是通过相邻bit的判决电平对当前bit的判决阈值进行修正，设计合理的DFE可以有效补偿ISI对信号造成的影响。但是DFE正确工作的前提是相邻bit的0/1电平是判决正确的，所以对于信号的信噪比有一定要求。一般情况下是先用CTLE或FFE来把信号眼图打开，然后再用DFE进一步优化。

图8. 均衡对信号眼图的改善

五、信号抖动分析

抖动（Jitter）反映的是数字信号偏离其理想位置的时间偏差。高频数字信号的bit周期都非常短，一般在几百ps甚至几十ps，很小的抖动都会造成信号采样位置电平的变化，所以高频数字信号对于抖动都有严格的要求。

图9. 抖动的定义

实际信号的很复杂，可能既有随机抖动成分（RJ），也有不同频率的确定性抖动成分（DJ）。确定性抖动可能由于码间干扰或一些周期性干扰引起，而随机抖动很大一部分来源于信号上的噪声。下图反映的是一个带噪声的数字信号及其判决阈值。一般我们把数字信号超过阈值的状态判决为“1”，把低于阈值的状态判决为“0”，由于信号的上升沿不是无限陡的，所以垂直的幅度噪声就会造成信号过阈值点时刻的左右变化，这就是由于噪声造成信号抖动的原因。

图10. 幅度噪声带来的随机抖动

要进行信号抖动的分析，最常用的工具是宽带示波器配合上响应的抖动分析软件。示波器里的抖动分析软件可以方便地对抖动的大小和各种成分进行分解，但是示波器由于噪声和测量方法的限制，很难对亚ps级的抖动进行精确测量。现在很多高速芯片对时钟的抖动要求都在1ps以下甚至更低。这就需要借助于其它的测量方法比如相位噪声（phase noise）的测量方法。

我们知道抖动是时间上的偏差，它也可以理解成时钟相位的变化，这就是相位噪声。对于时钟信号，我们观察其基波的频谱分布。理想的时钟信号其基波的频谱应该是一根很窄的谱线，但实际上由于相位噪声的存在，其谱线是比较宽的一个包络，这个包络越窄，说明相位噪声（抖动）越小，信号越接近理想信号。下图是一个真实时钟信号的频谱，信号的基波在2.5GHz，我们观察2.5GHz附近10MHz带宽的频谱。我们可以看到首先信号的频谱不是一根很窄的谱线，其谱线有展宽（随机噪声的影响），其次上面叠加的还有一些特定频率的干扰（确定性抖动的影响）。

图11. 频谱仪上看到的时钟载波信号附近的频谱

为了更方便观察低频的干扰，在相位噪声测量中通常会以信号的载波频率为起点，把横坐标用对数显示，其横坐标反映的是离信号载波频率的远近，纵坐标反映的是相应频点的能量和信号载波能量的比值。这个比值越小，说明除了载波以外其它频率成分的能量越小，信号越纯净。要进行时钟信号的相位噪声精确测量使用的仪器是信号源分析仪，信号源分析内部有特殊的电路，通过两个独立本振的多次相关处理可以把自身本振的相位噪声压得非常低，从而可以进行精确的相位噪声测量。

图12. 信号源分析测到的时钟信号的相位噪声

对于很多晶振产生的时钟来说，其抖动中的主要成分是随机抖动。如果我们把相位噪声测试结果里不同频率成分的相位噪声能量进行积分的话，我们就能够得到随机抖动。通过信号源分析仪对相位噪声测量然后对一定带宽内的能量进行积分，我们就可以得到精确的随机抖动测量结果。信号源分析仪能测量到的最小抖动可以到fs级。

六、总结

综上论述可见，做为一个高速数字电路设计或测试的工程师，仅仅借助于传统的时域方法去对信号和传输通道进行研究面临很多制约。但如果掌握一些射频微波的知识，数字工程师就可以借助于频谱仪分析信号频谱从而了解信号的频率分布及对带宽的要求；可以借助矢量网络分析仪分析传输通道的S参数从而了解通道的阻抗变化、对不同频率的反射和损耗情况以及预测对信号的影响；可以了解预加重、均衡等技术对高频损耗的补偿效果；可以借助信号源分析仪进行更精确的时钟抖动测量。这些射频微波领域成熟的分析方法和测量手段可以为数字工程更深刻了解其高速信号提供更多有用信息，进一步拓展了数字工程师对高速信号的分析能力。（完）

原文出自是德科技应用工程师李凯