Was ist der Frequenzbereich und die Bandbreite von Hochgeschwindigkeitssignalen?

Gehen Sie zurück zu Ihren Universitäts-Mathematikkursen und erinnern Sie sich an die Fourier-Spektren; dieses Konzept sagt Ihnen, dass digitale Signale als unendliche Summe von Frequenzen dargestellt werden können, wobei die Darstellung normalerweise bei der Taktfrequenz beginnt. Von hier aus beginnen die Definitionen der Signalbandbreite sehr unklar zu werden, mit vielen willkürlichen Definitionen, die angewendet werden, um Frequenzgrenzen auf einem digitalen Signal zu definieren.

In Wirklichkeit ist ein digitales Signal keine perfekte Rechteckwelle und kann nur durch die Fourier-Frequenz einer perfekten Rechteckwelle angenähert werden. Darüber hinaus beinhaltet vieles, was im Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs gemacht wird, das Entwerfen einer Kanalbandbreite, um eine bestimmte Signalbandbreite zu unterstützen, obwohl viele vermeintliche Experten im Bereich Hochgeschwindigkeits-PCB-Design tatsächlich nicht wissen, dass sie dies tun.

Um diese Punkte zu klären, besteht mein Ziel in diesem Leitfaden darin, zu erklären, was die Bandbreite eines digitalen Signals ist und wie Designer sich auf die Kanalbandbreite konzentrieren sollten, anstatt sich mit der Signalbandbreite zu beschäftigen.

Kanalbandbreite versus Signalbandbreite

Wenn wir über den Frequenzbereich eines Hochgeschwindigkeitssignals sprechen, ist der wichtige Parameter die bei verschiedenen Frequenzen konzentrierte Leistung. Theoretisch erstreckt sich der Frequenzbereich eines Hochgeschwindigkeitssignals bis ins Unendliche, aber Ihre PCB-Designsoftware muss eine obere Grenze verwenden, um die geeignete Bandbreite eines digitalen Hochgeschwindigkeitssignals zu bestimmen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Frequenzbereich zu definieren:

• Verwendung der Knie-Frequenz, oder etwa 35% des Kehrwerts der Anstiegszeit
• Im Hinblick auf die 5. Grundharmonische des Signals
• Als Nyquist-Frequenz des Empfängers

Die richtige Antwort ist „keine der oben genannten.“

In einer kürzlichen Umfrage auf LinkedIn fragte einer meiner Kontakte die Community, was die Bandbreite eines digitalen Signals ist. Unweigerlich bezog sich fast jede Person, die antwortete, auf die Knie-Frequenz, die wie folgt definiert ist.

Die Knie-Frequenz ist ein falsches Maß für den Frequenzbereich eines Hochgeschwindigkeitssignals

Diese Formel ist ein inkorrekter Wert für die Bandbreite digitaler Signale, da sie nichts mit der Bandbreite eines Signals zu tun hat, das von einem Hochgeschwindigkeitstreiber stammt. Die Knie-Frequenz ist ein Maß für die Bandbreite in einem RC-Kreis, bevor die Tiefpassfilterung eintritt, wobei die Anstiegszeit von 10% auf 90% durch die RC-Zeitkonstante definiert wird. Diese RC-Zeitkonstante kann erheblich von dem Signal abweichen, das von einem Hochgeschwindigkeitstreiber stammt.

Da die Knie-Frequenz auf einer Messung der Anstiegszeit für einen kapazitiven Kreis basiert, ist sie tatsächlich eine Kanalbandbreite. Sie gilt nur, wenn der Kanal unendlich kurz ist. Reale Kanäle auf einer Hochgeschwindigkeits-PCB verhalten sich möglicherweise nicht auf diese Weise. Je schneller der Pufferkreis im digitalen Treiber ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass die Knie-Frequenz gültig ist.

In Wirklichkeit haben digitale Signale unendliche Bandbreite, auch wenn sie eine endliche Anstiegszeit haben. Das Leistungsspektrum eines digitalen Signals wird durch eine Reihe von Harmonischen mit einer Amplituden-Hüllkurve in Form einer Sinc-Funktion gegeben, wobei periodische Ausfälle eine Funktion der Anstiegszeit und der Wiederholrate sind.

Harmonische in einem digitalen Signal mit einer Sinc-Funktion-Hüllkurve, die die Amplitude definiert. Beachten Sie, dass dies dazu führt, dass einige Harmonische null Leistung haben.

Egal was passiert, der digitale Treiber in einem Hochgeschwindigkeitskanal wird immer versuchen, ein Signal mit unendlicher Bandbreite zu senden. Der Kanal, der das Signal zum Empfänger überträgt, wird jedoch Verluste erzeugen, die die Bandbreite begrenzen. Ihre Aufgabe beim Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs und RF-PCBs besteht darin, Kanäle (d.h. Übertragungsleitungen) zu entwerfen, die eine gewisse Mindestbandbreite bereitstellen, sodass genügend Signal zum Empfänger gelangen kann und der Empfänger dann nützliche Informationen aus dem Signal extrahieren kann.

Was begrenzt die Kanalbandbreite?

Es gibt eine Sache, die die Kanalbandbreite begrenzt: Verluste. Alle Verlustmechanismen in einem Hochfrequenzkanal dienen dazu, die Bandbreite des Signals zu begrenzen, wenn das Signal den Empfänger erreicht. Also, was sind diese Verlustmechanismen auf einer PCB, die der Designer zu kontrollieren versuchen kann? Das sind Rückflussdämpfung, Einfügedämpfung und Modusumwandlung (für differentielle Paare). Jeder Verlustmechanismus, der in diese Kategorien fällt, kann die Fähigkeit des Kanals, Leistung an einen Empfänger zu übertragen, begrenzen.

Bei der PCB-Design sind alle Kanäle begrenzt in Bezug auf die Signalbandbreite; es geht nur darum, in welchem Umfang die Bandbreite eines Signals aufgrund der Kanalbandbreite begrenzt wird. Es ist wichtig, nicht nur die Arten von Verlusten und verschiedene Verlustmechanismen zu kennen, sondern auch die verschiedenen Elemente auf einer PCB, die zu diesen Verlusten beitragen.

Um die Bandbreite zu quantifizieren, haben wir einige Werkzeuge zur Verfügung, die dabei helfen zu bestimmen, welche Verlustmechanismen übermäßig sind; dies beinhaltet die Verwendung von S-Parameter-Simulationen und -Messungen. Wann immer die S-Parameter-Ergebnisse darauf hinweisen, dass eine Bandbreitenbegrenzung vorliegt (durch hohen Rückflussverlust, Einfügungsverlust und Modusumwandlung), ist es die Aufgabe des Designers, die bandbreitenbegrenzenden Elemente im Kanal zu finden und das Design zu modifizieren.

Kanäle mit begrenzter Bandbreite (zu viel Verlust) beheben

Aus der Perspektive der Bandbreitenbegrenzung aufgrund übermäßiger Verluste erfordert die Behebung eines Kanals mit begrenzter Bandbreite die Bestimmung, ob die Kanalverluste von Reflexionen dominiert werden oder ob es sich um Einfügungsverluste handelt. Dies kann durch eine Messung der Zeitbereichsreflektometrie (TDR) ermittelt werden.

Wenn die TDR-Messung signifikante Reflexionen zeigt, dann sollten diese minimiert werden, falls festgestellt wird, dass der Rückflussverlust innerhalb der Kanalbandbreitenanforderung übermäßig ist. Ein Beispiel aus unserem kürzlichen Altium OnTrack Podcast-Interview mit Yuriy Shlepnev wird unten gezeigt; sehen Sie sich die vollständige Episode hier an.

Simulierte TDR-Messung von Simbeor.

Anhand der Zeitkoordinate im TDR-Diagramm ist es möglich, die Impedanzdiskontinuität an jedem Punkt entlang einer Spur zu bestimmen und den Kanal nach Bedarf zu modifizieren, um minimale Reflexionen zu gewährleisten. In anderen Fällen, in denen es wenig Reflexion, aber übermäßige Verluste gibt, könnte ein Material mit geringeren Verlusten oder eine kürzere Route erforderlich sein.

Im Fall von differentiellen Paaren kann die dritte mögliche Verlustform, die Modenumwandlung, aus einem gemischten Modus-S-Parameter-Diagramm bestimmt werden. Dies wird die Umwandlung von differentieller Leistung in gemeinsame Modusleistung zeigen, die dann vom differentiellen Empfänger unterdrückt wird. Um mehr zu erfahren, lesen Sie unseren Leitfaden über Modenumwandlung bei differentiellen Paaren.

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