Quelle est la différence entre la bande passante et le débit ?

Les termes bande passante et débit sont parfois employés indifféremment, en grande partie à cause des agences publicitaires et médias qui ont transformé un terme technique important issu de la conception de circuits analogiques en un mot à la mode.

Le terme « bande passante » est aujourd'hui utilisé à tort, au point qu'il a involontairement pris un sens quelque peu lié à la conception des convertisseurs analogiques numériques.

Dans le domaine de la conception de PCB et de la conception de circuits, la notion de bande passante est parfois clairement distincte et n'a rien à voir avec le débit de données. Elle fait parfois aussi référence à une certaine qualité du signal et à son interaction avec un récepteur.

La différence entre la bande passante et le débit de données étant floue, quel lien peut-il y avoir avec la conception de votre circuit imprimé ? Nous allons approfondir cette question dans cet article et voir comment définir les mesures d'intégrité du signal pour les canaux à ultra-haute vitesse.

Ces mêmes idées concernant les mesures de l'intégrité du signal se retrouvent dans la dernière norme USB 4.0 et prendront plus de poids dans les nouvelles normes de transmission de signaux à haut débit.

Différence bande passante et débit

La définition du débit de données est assez simple : c'est le nombre de bits transmis au sein d'un canal ou d'un composant par unité de temps.

Le débit de données peut également s'exprimer en débit en bauds (c'est-à-dire le nombre d'unités de signal par seconde), ce qui nous permet de différencier les schémas de signaux binaires des schémas de signaux multi-niveaux.

Plus simplement, pour un signal à deux niveaux (par ex. NRZ), le débit en bauds équivaut au débit binaire. Pour les signaux à 4 niveaux (par ex. PAM4), le débit en bauds correspond à la moitié du débit binaire, car deux bits sont transmis par intervalle d'unité (UI).

La bande passante est généralement utilisée par tous types de concepteurs électroniques pour désigner un ou plusieurs des éléments suivants :

• Seuil à -3 dB. Dans la conception d'un filtre, ce seuil est habituellement utilisé pour indiquer la fréquence à laquelle la fonction de transfert (la magnitude) du filtre diminue de 3 dB.
• Plage de fréquences au sein de laquelle un composant peut recevoir/émettre. C'est une méthode que j'ai pu observer chez d'autres chercheurs travaillant sur l'intégration ou la conception de systèmes, lorsqu'il est nécessaire d'adapter un nouveau composant/système pour pouvoir recevoir/émettre dans une gamme de fréquences donnée.
• Contenu de fréquence du signal. Un signal à large bande peut avoir un contenu de fréquence réparti sur une large gamme de fréquences, et la bande passante définit la largeur de cette gamme.
• Capacité de débit de données d'un canal. Cette définition découle du fait que le débit de données (en réalité le débit en bauds) et le contenu de fréquence sont liés. Toutefois, cette définition est habituellement utilisée pour décrire les liaisons par fibre optique ou sans fil plutôt que les interconnexions au niveau de la carte.

Ces deux derniers éléments sont plus pertinents pour les créateurs numériques. En effet, c'est à ce niveau que la relation entre bande passante et débit de données doit être clairement définie pour les concepteurs de PCB.

Pour les signaux analogiques, la bande passante importe peu, sauf si on utilise la modulation avec un signal porteur (par ex. Ethernet), ou si on travaille avec des impulsions (par ex. LiDAR) ou des formes d'onde modulées en fréquence (par ex. un radar FMCW).

La bande passante pour un signal analogique est relativement faible et peut être visualisée directement sur le tracé d'un analyseur de spectre. La bande passante peut généralement être définie comme la gamme de fréquences qui est interrompue par le bruit de fond de votre tracé d'oscilloscope. Cette situation n'est pas aussi simple pour les fréquences numériques.

Bande passante et signaux numériques

La bande passante, dans ce contexte, désigne le contenu de fréquence qui constitue le signal numérique. La bande passante d'un signal numérique n'est pas aussi évidente car, sur le plan mathématique, elle s'étend à une fréquence infinie.

C'est pourquoi, si on veut une définition utile de la bande passante utilisée dans une conception de ligne de transmission pour des liaisons à très haut débit, nous devons fixer une limite supérieure qui est pertinente à la bande passante d'un signal numérique.

Signaux à deux niveaux

Dans le cas d'un signal à deux niveaux (par ex. NRZ), la bande passante peut habituellement être définie comme suit :

• 5e harmonique. Il s'agit d'un seuil assez courant, mais arbitraire, pour les bandes passantes de signaux numériques. Je dis arbitraire, car vous pourriez aussi utiliser toute autre fréquence impaire supérieure à la cinquième harmonique. Selon cette définition, la bande passante est 2,5 fois supérieure au débit de données.
• Fréquence de coude. Cette fréquence a une valeur approximative habituelle de 0,35/trise. En d'autres termes, la bande passante n'est généralement pas liée au débit de données, bien qu'un débit binaire plus élevé ait un temps de montée plus court.
• Fréquence de Nyquist. En supposant qu'un récepteur n'échantillonne qu'un signal numérique binaire à un débit égal au débit de données, la fréquence de Nyquist serait égale à la moitié du débit de données. Il s'agit ici d'une autre mesure de bande passante couramment utilisée pour les signaux numériques binaires.

Ici, nous avons deux indicateurs qui relient la bande passante au débit de données : la 5e harmonique et la fréquence de Nyquist. Des deux, la fréquence de Nyquist a la plus grande généralisable pour les flux binaires multi-niveaux.

Signaux multi-niveaux

Pour un signal multi-niveaux comme un flux binaire avec modulation d'impulsions en amplitude (PAM), la fréquence de Nyquist est ce qui définit le mieux la bande passante, car elle peut être généralisée plus facilement à un nombre quelconque de niveaux de signal. Dans le cas présent, la bande passante (égale à la fréquence de Nyquist) peut être définie comme suit :

Où N est le nombre de niveaux de signal par UI et D le débit binaire. Cela correspond conceptuellement à la même idée invoquée dans le critère de Nyquist, tel que défini pour un CAN, où la fréquence d'échantillonnage correspond au débit de données.

Ce qu'il faut retenir : ce n'est pas parce qu'on dit que la bande passante d'un canal est de X GHz que cela ne signifie pas que le débit de données est limité à 2X GHz ; la norme de signalisation doit également être prise en compte. En réalité, la bande passante, en termes de contenu de fréquence, doit être définie au cas par cas, il n'y a pas d'équation universelle.

Lorsque j'examine la bande passante nécessaire pour un flux binaire en particulier, je choisis toujours la plus grande des fréquences de coude ou de Nyquist pour les signaux à deux niveaux. Pour les signaux multi-niveaux, je conserve la fréquence de Nyquist comme mesure pertinente de la bande passante.

Si vous examinez les paramètres S ou la fonction de transfert d'un canal, vous pouvez vous concentrer sur les fréquences égales ou inférieures à la bande passante, le récepteur limitant la bande passante conformément au canal. Vous ne devez vous préoccuper des pertes et de l'ajustement de l'impédance que pour les fréquences inférieures ou égales à la bande passante.

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