信號(hào)完整性和射頻知識(shí)基本概念和術(shù)語(yǔ)

2016-09-29 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一.信號(hào)完整性的一些基本概念

1.信號(hào)完整性(Signal Integrity):就是指電路系統(tǒng)中信號(hào)的質(zhì)量,如果在要求的時(shí)間內(nèi),信號(hào)能不失真地從源端傳送到接收端,我們就稱該信號(hào)是完整的。

2.傳輸線(TransmissionLine):由兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成回路的連接線,我們稱之為傳輸線,有時(shí)也被稱為延遲線。

3.集總電路(Lumped circuit):在一般的電路分析中,電路的所有參數(shù),如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的各個(gè)點(diǎn)上,各個(gè)元件上,各點(diǎn)之間的信號(hào)是瞬間傳遞的,這種理想化的電路模型稱為集總電路。

4.分布式系統(tǒng)(DistributedSystem):實(shí)際的電路情況是各種參數(shù)分布于電路所在空間的各處,當(dāng)這種分散性造成的信號(hào)延遲時(shí)間與信號(hào)本身的變化時(shí)間相比已不能忽略的時(shí)侯,整個(gè)信號(hào)通道是帶有電阻、電容、電感的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),這就是一個(gè)典型的分布參數(shù)系統(tǒng)。

5.上升/下降時(shí)間(Rise/Fall Time):信號(hào)從低電平跳變?yōu)楦唠娖剿枰臅r(shí)間,通常是量度上升/下降沿在10%-90%電壓幅值之間的持續(xù)時(shí)間,記為Tr。

6.截止頻率(Knee Frequency):這是表征數(shù)字電路中集中了大部分能量的頻率范圍(0.5/Tr),記為Fknee,一般認(rèn)為超過(guò)這個(gè)頻率的能量對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸沒(méi)有任何影響。

7.特征阻抗(Characteristic Impedance):交流信號(hào)在傳輸線上傳播中的每一步遇到不變的瞬間阻抗就被稱為特征阻抗,也稱為浪涌阻抗,記為Z0。可以通過(guò)傳輸線上輸入電壓對(duì)輸入電流的比率值(V/I)來(lái)表示。

8.傳輸延遲(Propagation delay):指信號(hào)在傳輸線上的傳播延時(shí),與線長(zhǎng)和信號(hào)傳播速度有關(guān),記為tPD。

9.微帶線(Micro-Strip):指只有一邊存在參考平面的傳輸線。

10.帶狀線(Strip-Line):指兩邊都有參考平面的傳輸線。

11.趨膚效應(yīng)(Skin effect):指當(dāng)信號(hào)頻率提高時(shí),流動(dòng)電荷會(huì)漸漸向傳輸線的邊緣靠近,甚至中間將沒(méi)有電流通過(guò)。與此類似的還有集束效應(yīng),現(xiàn)象是電流密集區(qū)域集中在導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)。

12.反射(Reflection):指由于阻抗不匹配而造成的信號(hào)能量的不完全吸收,發(fā)射的程度可以有反射系數(shù)ρ表示。

13.過(guò)沖/下沖(Over shoot/under shoot):過(guò)沖就是指接收信號(hào)的第一個(gè)峰值或谷值超過(guò)設(shè)定電壓——對(duì)于上升沿是指第一個(gè)峰值超過(guò)最高電壓;對(duì)于下降沿是指第一個(gè)谷值超過(guò)最低電壓,而下沖就是指第二個(gè)谷值或峰值。

14.振蕩:在一個(gè)時(shí)鐘周期中,反復(fù)的出現(xiàn)過(guò)沖和下沖,我們就稱之為振蕩。振蕩根據(jù)表現(xiàn)形式可分為振鈴(Ringing)和環(huán)繞振蕩,振鈴為欠阻尼振蕩,而環(huán)繞振蕩為過(guò)阻尼振蕩。

匹配(Termination):指為了消除反射而通過(guò)添加電阻或電容器件來(lái)達(dá)到阻抗一致的效果。因?yàn)橥ǔ２捎迷谠炊嘶蚪K端,所以也稱為端接。

15.串?dāng)_:串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí),因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾,這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的。

信號(hào)回流(Return current):指伴隨信號(hào)傳播的返回電流。

16.自屏蔽(Self shielding):信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí),靠大電容耦合抑制電場(chǎng),靠小電感耦合抑制磁場(chǎng)來(lái)維持低電抗的方法稱為自屏蔽。

17.前向串?dāng)_(Forward Crosstalk):指干擾源對(duì)犧牲源的接收端產(chǎn)生的第一次干擾,也稱為遠(yuǎn)端干擾(Far-end crosstalk)。

18.后向串?dāng)_(Forward Crosstalk):指干擾源對(duì)犧牲源的發(fā)送端產(chǎn)生的第一次干擾,也稱為近端干擾(Near-end crosstalk)。

19.屏蔽效率(SE):是對(duì)屏蔽的適用性進(jìn)行評(píng)估的一個(gè)參數(shù),單位為分貝。

吸收損耗:吸收損耗是指電磁波穿過(guò)屏蔽值氖焙蚰芰克鷙牡氖俊?br>20.反射損耗:反射損耗是指由于屏蔽的內(nèi)部反射導(dǎo)致的能量損耗的數(shù)量,他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化。

21.校正因子:表示屏蔽效率下降的情況的參數(shù),由于屏蔽物吸收效率不高,其內(nèi)部的再反射會(huì)使穿過(guò)屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子是個(gè)負(fù)數(shù),而且只使用于薄屏蔽罩中存在多個(gè)反射的情況分析。

22.差模EMI:傳輸線上電流從驅(qū)動(dòng)端流到接收端的時(shí)候和它回流之間耦合產(chǎn)生的EMI,就叫做差模EMI。

23.共模EMI:當(dāng)兩條或者多條傳輸線以相同的相位和方向從驅(qū)動(dòng)端輸出到接收端的時(shí)候,就會(huì)產(chǎn)生共模輻射,既共模EMI。

24.發(fā)射帶寬:即最高頻率發(fā)射帶寬,當(dāng)數(shù)字集成電路從邏輯高低之間轉(zhuǎn)換的時(shí)候,輸出端產(chǎn)生的方波信號(hào)頻率并不是導(dǎo)致EMI的唯一成分。該方波中包含頻率范圍更寬廣的正弦諧波分量,這些正弦諧波分量是工程師所關(guān)心的EMI頻率成分,而最高的EMI頻率也稱為EMI的發(fā)射帶寬。

25.電磁環(huán)境:存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和。

27.電磁干擾:電磁騷擾引起設(shè)備、傳輸通道和系統(tǒng)性能的下降。

28.電磁兼容性:設(shè)備或者系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

29.系統(tǒng)內(nèi)干擾:系統(tǒng)中出現(xiàn)由本系統(tǒng)內(nèi)部電磁騷擾引起的電磁干擾。

30.系統(tǒng)間干擾:有其他系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)一個(gè)系統(tǒng)造成的電磁干擾。

31.靜電放電:具有不同靜電電位的物體相互接近或者接觸時(shí)候而引起的電荷轉(zhuǎn)移。

*建立時(shí)間(Setup Time):建立時(shí)間就是接收器件需要數(shù)據(jù)提前于時(shí)鐘沿穩(wěn)定存在于輸入端的時(shí)間。

32.保持時(shí)間(Hold Time):為了成功的鎖存一個(gè)信號(hào)到接收端,器件必須要求數(shù)據(jù)信號(hào)在被時(shí)鐘沿觸發(fā)后繼續(xù)保持一段時(shí)間,以確保數(shù)據(jù)被正確的操作。這個(gè)最小的時(shí)間就是我們說(shuō)的保持時(shí)間。

33.飛行時(shí)間(Flight Time):指信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端傳輸?shù)浇邮斩?并達(dá)到一定的電平之間的延時(shí),和傳輸延遲和上升時(shí)間有關(guān)。

34.Tco:是指器件的輸入時(shí)鐘邊緣觸發(fā)有效到輸出信號(hào)有效的時(shí)間差,這是信號(hào)在器件內(nèi)部的所有延遲總和,一般包括邏輯延遲和緩沖延遲。緩沖延遲(buffer delay):指信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖器達(dá)到有效的電壓輸出所需要的時(shí)間

35.時(shí)鐘抖動(dòng)(Jitter):時(shí)鐘抖動(dòng)是指時(shí)鐘觸發(fā)沿的隨機(jī)誤差,通常可以用兩個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘周期之間的差值來(lái)量度,這個(gè)誤差是由時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的,和后期布線沒(méi)有關(guān)系。

36.時(shí)鐘偏移(Skew):是指由同樣的時(shí)鐘產(chǎn)生的多個(gè)子時(shí)鐘信號(hào)之間的延時(shí)差異。

假時(shí)鐘: 假時(shí)鐘是指時(shí)鐘越過(guò)閾值(threshold)無(wú)意識(shí)地改變了狀態(tài)(有時(shí)在VIL 或VIH之間)。通常由于過(guò)分的下沖(undershoot)或串?dāng)_(crosstalk)引起。

37.電源完整性(PowerIntegrity): 指電路系統(tǒng)中的電源和地的質(zhì)量。

38.同步開(kāi)關(guān)噪聲(Simultaneous Switch Noise):指當(dāng)器件處于開(kāi)關(guān)狀態(tài),產(chǎn)生瞬間變化的電流(di/dt),在經(jīng)過(guò)回流途徑上存在的電感時(shí),形成交流壓降,從而引起噪聲,簡(jiǎn)稱SSN。也稱為Δi噪聲。

39.地彈(Ground Bounce):指由于封裝電感而引起地平面的波動(dòng),造成芯片地和系統(tǒng)地不一致的現(xiàn)象。同樣,如果是由于封裝電感引起的芯片和系統(tǒng)電源差異,就稱為電源反彈(Power Bounce)。

二.射頻知識(shí)基本概念和術(shù)語(yǔ)

概念辨析:dBm, dBi, dBd, dB, dBc

1、dBm
dBm是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值,計(jì)算公式為:10lgP(功率值/1mw)。
[例1] 如果發(fā)射功率P為1mw,折算為dBm后為0dBm。
[例2] 對(duì)于40W的功率,按dBm單位進(jìn)行折算后的值應(yīng)為:
10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。
2、dBi 和dBd
dBi和dBd是考征增益的值(功率增益),兩者都是一個(gè)相對(duì)值,但參考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線,dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子,所以兩者略有不同。一般認(rèn)為,表示同一個(gè)增益,用dBi表示出來(lái)比用dBd表示出來(lái)要大2. 15。
[例3] 對(duì)于一面增益為16dBd的天線,其增益折算成單位為dBi時(shí),則為18.15dBi(一般忽略小數(shù)位,為18dBi)。
[例4] 0dBd=2.15dBi。
[例5] GSM900天線增益可以為13dBd(15dBi),GSM1800天線增益可以為15dBd(17dBi)。
3、dB
dB是一個(gè)表征相對(duì)值的值,當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè)dB時(shí),按下面計(jì)算公式:10lg(甲功率/乙功率)
[例6] 甲功率比乙功率大一倍,那么10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是說(shuō),甲的功率比乙的功率大3 dB。
[例7] 7/8 英寸GSM900饋線的100米傳輸損耗約為3.9dB。
[例8] 如果甲的功率為46dBm,乙的功率為40dBm,則可以說(shuō),甲比乙大6 dB。
[例9] 如果甲天線為12dBd,乙天線為14dBd,可以說(shuō)甲比乙小2 dB。
4、dBc
有時(shí)也會(huì)看到dBc,它也是一個(gè)表示功率相對(duì)值的單位,與dB的計(jì)算方法完全一樣。一般來(lái)說(shuō),dBc 是相對(duì)于載波(Carrier)功率而言,在許多情況下,用來(lái)度量與載波功率的相對(duì)值,如用來(lái)度量干擾(同頻干擾、互調(diào)干擾、交調(diào)干擾、帶外干擾等)以及耦合、雜散等的相對(duì)量值。在采用dBc的地方,原則上也可以使用dB替代。

1、功率/電平(dBm):放大器的輸出能力,一般單位為w、mw、dBm
注:dBm是取1mw作基準(zhǔn)值,以分貝表示的絕對(duì)功率電平。換算公式:
電平(dBm)=10lgw
5W → 10lg5000=37dBm
10W → 10lg10000=40dBm
20W → 10lg20000=43dBm
從上不難看出,功率每增加一倍,電平值增加3dBm
2、增益(dB):即放大倍數(shù),單位可表示為分貝(dB)。
即:dB=10lgA(A為功率放大倍數(shù))
3、插損:當(dāng)某一器件或部件接入傳輸電路后所增加的衰減,單位用dB表示。
4、選擇性:衡量工作頻帶內(nèi)的增益及帶外輻射的抑制能力。-3dB帶寬即增益下降3dB時(shí)的帶寬,-40dB、-60dB同理。
5、駐波比(回波損耗):行駐波狀態(tài)時(shí),波腹電壓與波節(jié)電壓之比(VSWR)
附:駐波比——回波損耗對(duì)照表:
SWR 1.2 1.25 1.30 1.35 1.40 1.50
回波損耗(dB) 21 19 17.6 16.6 15.614.0
6、三階交調(diào):若存在兩個(gè)正弦信號(hào)ω1和ω2 由于非線性作用將產(chǎn)生許多互調(diào)分量,其中的2ω1-ω2和2ω2-ω1兩個(gè)頻率分量稱為三階交調(diào)分量,其功率P3和信號(hào)ω1或ω2的功率之比稱三階交調(diào)系數(shù)M3。
即M3 =10lg P3/P1 (dBc)
7、噪聲系數(shù):一般定義為輸出信噪比與輸入信噪比的比值,實(shí)際使用中化為分貝來(lái)計(jì)算。單位用dB。
8、耦合度:耦合端口與輸入端口的功率比, 單位用dB。
9、隔離度:本振或信號(hào)泄露到其他端口的功率與原有功率之比,單位dB。
10、天線增益(dB):指天線將發(fā)射功率往某一指定方向集中輻射的能力。一般把天線的最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)E與理想各向同性天線均勻輻射場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E0相比,以功率密度增加的倍數(shù)定義為增益。Ga=E2/ E02
11、天線方向圖:是天線輻射出的電磁波在自由空間存在的范圍。方向圖寬度一般是指主瓣寬度即從最大值下降一半時(shí)兩點(diǎn)所張的夾角。
E面方向圖指與電場(chǎng)平行的平面內(nèi)輻射方向圖;
H面方向圖指與磁場(chǎng)平行的平面內(nèi)輻射方向圖。
一般是方向圖越寬,增益越低;方向圖越窄,增益越高。
12、天線前后比:指最大正向增益與最大反向增益之比,用分貝表示。
13、單工:亦稱單頻單工制,即收發(fā)使用同一頻率,由于接收和發(fā)送使用同一個(gè)頻率,所以收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行,稱為單工。
14、雙工:亦稱異頻雙工制,即收發(fā)使用兩個(gè)不同頻率,任何一方在發(fā)話的同時(shí)都能收到對(duì)方的講話。
單工、雙工都屬于移動(dòng)通信的工作方式。
15、放大器:(amplifier)用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的電路。
16、濾波器:(filter)通過(guò)有用頻率信號(hào)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的部件或設(shè)備
17、衰減器:(attenuator) 在相當(dāng)寬的頻段范圍內(nèi)一種相移為零、其衰減和特性阻抗均為與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù)的、由電阻元件組成的四端網(wǎng)絡(luò),其主要用途是調(diào)整電路中信號(hào)大小、改善阻抗匹配。
功分器:進(jìn)行功率分配的器件。有二、三、四….功分器;接頭類型分N頭(50Ω)、SMA頭(50Ω)、和F頭(75Ω)三種,我們公司常用的是N頭和SMA頭。
18、耦合器:從主干通道中提取出部分信號(hào)的器件。按耦合度大小分為5、10、15、20…. dB不同規(guī)格;從基站提取信號(hào)可用大功率耦合器(300W),其耦合度可從30~65dB中選用;耦合器的接頭多采用N頭。
19、負(fù) 載:終端在某一電路(如放大器)或電器輸出端口,接收電功率的元/器件、部件或裝置統(tǒng)稱為負(fù)載。對(duì)負(fù)載最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。
20、環(huán)形器:使信號(hào)單方向傳輸?shù)钠骷?
21、轉(zhuǎn)接頭:把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置。
22、饋線:是傳輸高頻電流的傳輸線。
23、天線:(antenna)是將高頻電流或波導(dǎo)形式的能量變換成電磁波并向規(guī)定方向發(fā)射出去或把來(lái)自一定方向的電磁波還原為高頻電流