为什么数字工程师需求射频
常识？
在许多高速运用如计算机、通讯等范畴，许多数字总线的数据速率都到达了Gb/s以上乃至更高。传统上咱们以为的0、1的抱负的数字信号开端更多地体现出其射频的特性。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。数字规划的工程师需求更多地借助于一些射频的办法或概念去剖析数字信号，比方要用频域的手法剖析信号的频谱，用S参数剖析传输途径的反射、损耗等。
为了协助广阔的数字测验工程师了解频域剖析手法的根本概念，我特意整理了这篇《数字工程师需求把握的射频常识》的文章，这篇文章最早宣布在2013年的EDI CON会议上，现在拿出来和咱们同享。
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。如下图所示赤色是咱们希望的抱负的数字信号波形，而黄色的则可能是实在的信号波形，能够看到信号上现已因为震动（一般因为阻抗匹配欠好） 现已发生了较大变形。其实在高速的情况下这现已是比较好的信号波形了，许多时分信号的波形会比这个愈加恶劣。
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，可是这种办法不太精确。
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以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。
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。
上面的两张图都是借助于频谱仪丈量得到的。尽管现代的数字示波器都现已具有了数字FFT的功用能够协助用户调查信号频谱，可是因为ADC位数和动态规模的约束，频谱仪仍然是对信号能量的频率散布进行剖析的最精确的东西，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%）
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仅仅是数据速率。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。
真实的传输通道如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）。
