Jaki jest zakres częstotliwości i pasmo sygnałów wysokiej prędkości?

Wróć myślami do lekcji matematyki na uniwersytecie i przypomnij sobie spektra Fouriera; ta koncepcja mówi nam, że sygnały cyfrowe mogą być przedstawione jako nieskończona suma częstotliwości, przy czym reprezentacja zwykle zaczyna się od częstotliwości zegara. Stąd definicje szerokości pasma sygnału zaczynają być bardzo zamazane, z wieloma arbitralnymi definicjami stosowanymi do określenia limitów częstotliwości na sygnale cyfrowym.

W rzeczywistości sygnał cyfrowy nie jest idealną falą kwadratową i może być tylko przybliżony przez częstotliwość Fouriera idealnej fali kwadratowej. Ponadto, wiele działań w projektowaniu PCB wysokiej prędkości polega na projektowaniu szerokości pasma kanału, aby pomieścić pewną szerokość pasma sygnału, chociaż wielu domniemanych ekspertów od projektowania PCB wysokiej prędkości tak naprawdę nie wie, że to robi.

Aby wyjaśnić te kwestie, moim celem w tym przewodniku jest wyjaśnienie, czym jest szerokość pasma sygnału cyfrowego i jak projektanci powinni skupić się na szerokości pasma kanału, zamiast być pochłoniętymi szerokością pasma sygnału.

Szerokość pasma kanału a szerokość pasma sygnału

Gdy mówimy o zakresie częstotliwości sygnału wysokiej prędkości, ważnym parametrem jest moc skoncentrowana na różnych częstotliwościach. Teoretycznie zakres częstotliwości sygnału wysokiej prędkości rozciąga się aż do nieskończoności, ale oprogramowanie do projektowania PCB musi użyć pewnej górnej granicy, aby określić odpowiednie pasmo sygnału cyfrowego wysokiej prędkości. Istnieje kilka sposobów na zdefiniowanie zakresu częstotliwości:

• Używając częstotliwości kolana, czyli około 35% odwrotności czasu narastania
• W odniesieniu do 5-tej podstawowej harmonicznej sygnału
• Jako częstotliwość Nyquista odbiornika

Poprawna odpowiedź brzmi „żadne z powyższych”.

W niedawnym głosowaniu na LinkedIn, jedno z moich połączeń zapytało społeczność, jakie jest pasmo sygnału cyfrowego. Niezmiennie, prawie każda osoba, która odpowiedziała, odnosiła się do częstotliwości kolana, która jest zdefiniowana jak następuje.

Częstotliwość kolana jest niepoprawną miarą zakresu częstotliwości sygnału wysokiej prędkości

Ta formuła jest nieprawidłową wartością dla pasma sygnału cyfrowego, ponieważ nie ma nic wspólnego z pasmem sygnału pochodzącym z szybkiego sterownika. Częstotliwość kolana jest miarą pasma w obwodzie RC przed wystąpieniem działania filtracji dolnoprzepustowej, gdzie czas narastania od 10% do 90% jest określony przez stałą czasową RC. Ta stała czasowa RC może być znacznie różna od sygnału pochodzącego z szybkiego sterownika.

Ponieważ częstotliwość kolana opiera się na pomiarze czasu narastania dla obwodu pojemnościowego, jest to w rzeczywistości pasmo kanału. Ma zastosowanie tylko wtedy, gdy kanał jest nieskończenie krótki. Rzeczywiste kanały w szybkich PCB mogą nie zachowywać się w ten sposób. Im szybszy jest obwód buforowy w cyfrowym sterowniku, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo, że częstotliwość kolana będzie ważna.

W rzeczywistości sygnały cyfrowe mają nieskończone pasmo, nawet gdy mają skończony czas narastania. Widmo mocy sygnału cyfrowego jest dane przez zestaw harmonicznych z obwiednią amplitudy funkcji sinc, przy czym okresowe zaniki są funkcją czasu narastania i częstotliwości powtarzania.

Harmoniczne w sygnale cyfrowym z obwiednią amplitudy definiowaną przez funkcję sinc. Zauważ, że powoduje to, że niektóre harmoniczne mają moc zerową.

Bez względu na wszystko, cyfrowy sterownik w szybkim kanale zawsze będzie próbował dostarczyć sygnał o nieskończonej przepustowości. Jednak kanał, który przenosi sygnał do odbiornika, będzie powodował straty ograniczające przepustowość. Twoim zadaniem w projektowaniu PCB wysokiej prędkości i projektowaniu PCB RF jest zaprojektowanie kanałów (czyli linii transmisyjnych), które zapewniają pewną minimalną ilość przepustowości, tak aby wystarczająca ilość sygnału mogła dotrzeć do odbiornika, a odbiornik mógł następnie odzyskać użyteczne informacje z sygnału.

Co ogranicza przepustowość kanału?

Jest jedna rzecz, która ogranicza przepustowość kanału: straty. Wszystkie mechanizmy strat w kanale wysokiej częstotliwości służą ograniczeniu przepustowości sygnału, gdy sygnał dociera do odbiornika. Więc, w PCB, jakie są te mechanizmy strat, które projektant może próbować kontrolować? Są to: strata zwrotna, strata wstawieniowa i konwersja trybu (dla par różnicowych). Każdy mechanizm straty wpadający w te dwie kategorie może ograniczyć zdolność kanału do przekazywania mocy do odbiornika.

W projektowaniu PCB wszystkie kanały będą ograniczać pasmo sygnału; chodzi tylko o to, w jakim stopniu pasmo sygnału zostaje ograniczone przez pasmo kanału. Poza poznaniem rodzajów strat i różnych mechanizmów strat, ważne jest, aby znać różne elementy na PCB, które przyczyniają się do tych strat.

Aby określić pasmo, mamy do dyspozycji pewne narzędzia, które pomogą w określeniu, które mechanizmy strat są nadmierne; obejmuje to wykorzystanie symulacji i pomiarów parametrów S. Kiedy wyniki parametrów S wskazują, że istnieje ograniczenie pasma (przez wysokie straty zwrotne, straty wstawienia i konwersję trybu), zadaniem projektanta jest znalezienie elementów ograniczających pasmo w kanale i zmodyfikowanie projektu.

Naprawianie kanałów z ograniczonym pasmem (zbyt duża strata)

Z perspektywy ograniczenia przepustowości z powodu nadmiernych strat, naprawa kanału o ograniczonej przepustowości wymaga ustalenia, czy straty w kanale dominują z powodu odbić, czy strat wstawiania. Można to określić na podstawie pomiaru reflektometrii czasowej (TDR).

Gdy pomiar TDR pokazuje znaczące odbicia, należy je zminimalizować, jeśli stwierdzono, że strata zwrotna jest nadmierna w wymaganej przepustowości kanału. Przykład z naszego ostatniego wywiadu w podcastzie Altium OnTrack z Yuriyem Shlepnevem jest pokazany poniżej; obejrzyj pełny odcinek tutaj.

Symulowany pomiar TDR z Simbeor.

Na podstawie współrzędnej czasowej na wykresie TDR można określić nieciągłość impedancji w każdym punkcie ścieżki i odpowiednio zmodyfikować kanał, aby zapewnić minimalne odbicia. W innych przypadkach, gdy odbicia są niewielkie, ale straty nadmierne, może być potrzebny materiał o mniejszych stratach lub krótsza trasa.

W przypadku par różnicowych, trzecią możliwą formą straty jest konwersja trybu, którą można określić na podstawie wykresu parametrów S w trybie mieszanych. Pokaże on konwersję mocy różnicowej na moc wspólną, która następnie byłaby tłumiona przez odbiornik różnicowy. Aby dowiedzieć się więcej, przeczytaj nasz przewodnik na temat konwersji trybu w parach różnicowych.

Czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer^®. Aby zaimplementować współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365^™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.