Przepustowość vs Szybkość Transmisji Danych: Jaka jest Różnica?

Przepustowość i szybkość transmisji danych są czasami używane zamiennie, głównie za sprawą firm reklamowych i mediów, które przekształciły ważne pojęcie techniczne z projektowania obwodów analogowych w modne słowo. Słowo „przepustowość” jest obecnie nadużywane do tego stopnia, że niezamierzenie przyjęło ono nieco pokrewną definicję z projektowania przetworników ADC. W projektowaniu PCB i projektowaniu obwodów, przepustowość czasami ma wyraźne rozróżnienie, które nie ma nic wspólnego z szybkością transmisji danych, a czasami odnosi się do pewnej jakości sygnału i jego interakcji z odbiornikiem.

Zważywszy na to, że różnica między szybkością transmisji danych a przepustowością jest niejasna, jak to ma się do projektowania Twojej płytki PCB? Przyjrzymy się temu głębiej w tym artykule, aby zobaczyć, jak definiować metryki integralności sygnału dla kanałów o bardzo wysokiej prędkości. Te same pomysły dotyczące metryk integralności sygnału znajdują odzwierciedlenie w najnowszym standardzie USB 4.0 i staną się bardziej istotne w nowszych standardach sygnalizacji o wysokiej prędkości.

Szybkość transmisji danych vs. Przepustowość

Prędkość transmisji danych to dokładnie to, na co wygląda: liczba bitów przesyłanych przez kanał lub przez komponent w jednostce czasu. Prędkość transmisji danych może być również wyrażona w baudach (np. liczba symboli na sekundę), co pozwala nam odróżnić schematy sygnalizacji binarnej od wielopoziomowej (patrz poniżej). To jest dość proste; dla strumienia bitów dwupoziomowego (binarnego) (np. NRZ), prędkość w baudach jest równa prędkości bitowej. Dla sygnałów czteropoziomowych (np. PAM4), prędkość w baudach jest połową prędkości bitowej, ponieważ dwa bity są przesyłane w jednostce interwału (UI).

Przepustowość jest ogólnie używana przez projektantów elektroniki wszelkiego rodzaju do odniesienia się do jednego lub więcej z poniższych:

• -3 dB punkt. Jeśli projektujesz filtr, jest to zazwyczaj używane do oznaczenia częstotliwości, przy której funkcja przenoszenia filtra (magnituda) spada o 3 dB.
• Zakres częstotliwości, w którym komponent może odbierać/przesyłać. Zazwyczaj widziałem to używane przez innych badaczy pracujących nad integracją lub projektowaniem systemów, gdzie istnieje potrzeba dopasowania nowego komponentu/systemu do odbierania/przesyłania w określonym zakresie częstotliwości.
• Zawartość częstotliwościowa sygnału.Sygnał szerokopasmowy może mieć swoją zawartość częstotliwościową rozprzestrzenioną na szerokim zakresie częstotliwości, a pasmo określa rozmiar tego spektrum.
• Zakres częstotliwości pracy kanału. Jest to zakres częstotliwości, w którym kanał może transmitować z niskimi stratami.
• Pojemność przepustowości danych kanału. Ta definicja wynika z faktu, że szybkość transmisji danych (właściwie szybkość bodźca) i zakres częstotliwości pracy są ze sobą powiązane. Może być używana do opisu łączy światłowodowych, bezprzewodowych lub miedzianych w telekomunikacji i nie jest wyłączna dla opisu połączeń na poziomie płytki.

Ostatnie trzy punkty są bardziej istotne dla projektanta cyfrowego, ponieważ tutaj należy jasno wyjaśnić związek między pasmem a szybkością transmisji danych dla projektantów PCB. Istnieje ważne rozróżnienie między pasmem sygnału a pasmem kanału. To nie jest to samo. Pasmo kanału jest zawsze skończone, co oznacza, że kanał może niezawodnie transmitować częstotliwości tylko do pewnej wartości.

Z powyższej tabeli powinniśmy zauważyć, że kanały zawsze mają ograniczoną przepustowość, podczas gdy sygnał może mieć nieskończoną przepustowość (sygnały cyfrowe). Tutaj przepustowość kanału i sygnału łączą się, gdy pracujemy nad projektami cyfrowymi wysokiej prędkości. Ważnym punktem, o którym należy wiedzieć przy projektowaniu systemów cyfrowych wysokiej prędkości jest:

Dla sygnałów cyfrowych przepustowość jest nieskończona. Czasami twierdzi się, że sygnały cyfrowe muszą mieć skończoną przepustowość, ale jest to nieprawda, i można udowodnić, że przepustowość sygnału cyfrowego jest nieskończona, używając definicji szeregu Fouriera dla fali trapezowej. Powodem tego zamieszania jest pomysł, że do wygenerowania idealnego sygnału cyfrowego potrzebna byłaby nieskończona moc. Jednakże, to nie oznacza, że rzeczywisty sygnał cyfrowy musi mieć skończoną przepustowość, tylko dlatego, że zawiera on skończoną moc.

Dla sygnałów analogowych czasami nie zwracamy uwagi na pasmo sygnału, chyba że używamy modulacji z sygnałem nośnym (np. Ethernet) lub pracujemy z impulsami (takimi jak w lidarze) lub modulowanymi sygnałami częstotliwości (takimi jak radar FMCW). Pasmo dla sygnału analogowego jest dość małe i można je bezpośrednio zobaczyć na śladzie analizatora widma lub obliczyć, stosując FFT do pomiaru w dziedzinie czasu. Ogólnie można zdefiniować pasmo jako zakres częstotliwości, który jest ograniczony przez poziom szumów na śladzie oscyloskopu. Sytuacja nie jest tak prosta w przypadku częstotliwości cyfrowych.

Co to jest pasmo sygnału cyfrowego

Tutaj, kiedy mówię o paśmie, mam na myśli zawartość częstotliwościową, która tworzy sygnał cyfrowy, czyli pasmo sygnału. Ponownie chcę podkreślić różnicę między pasmem sygnału a pasmem kanału, stwierdzając, że projektant PCB wysokiej prędkości powinien skupić się na osiągnięciu celu pasma kanału; pasmo sygnału jest zawsze nieskończone, więc nieuchronnie nie ma to znaczenia.

Jeśli jednak chcemy zdefiniować docelowe pasmo przenoszenia dla połączenia, takiego jak linia transmisyjna dla bardzo szybkich łączy, możemy przyjąć kilka różnych definicji:

• 5-ta harmoniczna. Jest to powszechny, ale arbitralny punkt odcięcia dla pasm przenoszenia sygnałów cyfrowych. Mówię, że jest arbitralny, ponieważ można by również użyć dowolnej innej nieparzystej częstotliwości większej niż 5-ta harmoniczna. Ta definicja mówi, że pasmo przenoszenia jest 2,5 raza większe niż szybkość transmisji.
• Częstotliwość kolana. Ta szczególna częstotliwość jest zwykle przybliżana jako 0,5/t_narastania. Innymi słowy, mówi się, że pasmo przenoszenia ogólnie nie jest związane z szybkością transmisji danych, chociaż wyższa szybkość transmisji danych binarnych będzie miała krótszy czas narastania.
• Częstotliwość Nyquista. Zakładając, że odbiornik próbkuje sygnał cyfrowy binarny z szybkością równą szybkości transmisji, wówczas częstotliwość Nyquista byłaby równa połowie szybkości transmisji.

Kiedy każda z tych definicji ma znaczenie? Od razu powiem, że limit 5-tej harmonicznej jest całkowicie arbitralny i nie ma matematycznego uzasadnienia. Pozostałe dwie definicje zależą od tego, którego typu format sygnalizacji używasz (fala kwadratowa vs. cyfrowo modulowana fala analogowa).

Regularne sygnały prostokątne

Tak często, jak projektanci układów cyfrowych zaczynają przytaczać częstotliwość kolanową jako pewnego rodzaju ograniczenie pasma sygnału, nigdy nie było to zamierzone i nie mówi to nic konkretnego o energii zawartej w widmie mocy na różnych częstotliwościach. Częstotliwość kolanowa jest wyznaczana przez badanie odpowiedzi obwodu RC na wejściowy sygnał prostokątny. Robi się to, ponieważ w najprostszym sensie, interfejs wejściowy w odbiorniku cyfrowym można modelować jako obwód RC, i możemy powiązać czas narastania z pewnym pasmem zawartym w przychodzącym sygnale.

W tym kontekście, częstotliwość kolanowa po prostu informuje o paśmie sygnału, które musi dotrzeć do odbiornika. Jeśli uwzględnimy indukcyjność, odbiorniki cyfrowe są po prostu 2-biegunowymi filtrami dolnoprzepustowymi, a minimalne pasmo kanału jest wyznaczane w terminach czasu narastania, zakładając, że odpowiedź odbiornika jest krytycznie tłumiona. Pasmo kanału mierzy, czy odpowiedź odbiornika na wejściowy sygnał prostokątny pozwala jego pojemności na naładowanie się do pożądanego poziomu logiki w pewnym oknie czasowym. Jeśli kanał nie ma wystarczającego pasma, wtedy czas narastania może być zbyt wolny, więc teoretycznie odbiornik może nie odczytać sygnału logicznego wejściowego w wymaganym oknie czasowym.

Jednak nie jest to sposób, w jaki faktycznie działają cyfrowe odbiorniki pojemnościowe, gdy są pobudzane falą prostokątną. Na przykład, I2C i SPI nie mają ściśle określonych dolnych limitów czasu narastania, a w rzeczywistych komponentach można zauważyć różne wartości, które są akceptowalne. Skup się na tym, czego interfejs potrzebuje do prawidłowego działania, aby określić minimalny dopuszczalny czas narastania, aby zapewnić zatrzaskiwanie do sygnału logicznego, a następnie użyj tego do określenia minimalnej wymaganej przepustowości. W większości praktycznych przypadków, przy poprawnie zaprojektowanej linii transmisyjnej działającej do kilku Gbps, Twój kanał będzie miał wystarczającą przepustowość dla tych sygnałów.

Jak obliczyć minimalną wymaganą przepustowość kanału dla sygnałów modulowanych

Jeśli projektujesz kanał, aby zapewnić, że może on przekazywać cyfrowo modulowany sygnał, jak możesz upewnić się, że kanał zapewnia wystarczającą przepustowość, aby sygnał cyfrowy mógł być odczytany przez odbiornik? Wymaga to wiedzy o minimalnej ilości przepustowości, która będzie pewną częstotliwością -3 dB (lub częstotliwością kolana), albo będzie to częstotliwość Nyquista. Tutaj jest ważny punkt:

Dwie inne definicje są nieistotne dla tego typu sygnałów. Najczęstszym przypadkiem, gdy używany jest ten typ projektowania kanału, jest Ethernet, który wykorzystuje modulację amplitudy impulsów (PAM) w konstelacjach. Na przykład, 100Base-T4 używa PAM-3, podczas gdy 1000Base-T używa PAM-5, a 10GBase-T używa precodowanej PAM-16 Tomlinsona-Harashimy.

Aby określić minimalną przepustowość, jakiej kanał potrzebuje do przesyłania danego zmodulowanego strumienia bitów z cyfrową prędkością transmisji danych D, możemy użyć poniżej przedstawionego twierdzenia Nyquista:

Aby zobaczyć, jak to działa, przyjrzymy się powszechnym formatom sygnalizacji używanym w bardzo szybkich łączach szeregowych (56 Gbps i wyższych):

Minimalna przepustowość kanału dla RZ/NRZ i PAM-4

Dzisiaj, najszybsze różnicowe łącza szeregowe używają trzech możliwych formatów danych z modulacją amplitudy impulsów:

• Powrót do zera (RZ)
• Bez powrotu do zera (NRZ)
• Modulacja amplitudy impulsów na 4 poziomach (PAM-4)

RZ i NRZ używają 2 poziomów sygnału na jednostkę czasu, podczas gdy PAM-4 używa 4 poziomów. Moglibyśmy to rozszerzać na wyższe liczby poziomów sygnału, takie jak kanał PAM-8 pokazany poniżej.Zauważ, że PAM-8 nie jest jeszcze używane w najszybszych kanałach szeregowych, jest pokazane tylko jako przykład, ale kto wie, czy to się nie zmieni w przyszłości.

Dla tych modulowanych sygnałów wielopoziomowych, częstotliwość Nyquista jest jedynym istotnym celem projektowym dla minimalnej szerokości pasma kanału. Tutaj, szerokość pasma (równa częstotliwości Nyquista) może być zdefiniowana jako:

gdzie N to liczba poziomów sygnału na bod i D to szybkość transmisji bitów. To koncepcyjnie odpowiada tej samej idei, co kryterium Nyquista zdefiniowane dla ADC, gdzie szybkość próbkowania odpowiada szybkości bodów. Punkt do zapamiętania to: mówienie, że pasmo kanału to X GHz, nie oznacza, że szybkość transmisji danych jest ograniczona do 2X GHz; standard sygnalizacji również ma znaczenie.

Gdy już zrozumiesz różnicę między prędkością transmisji danych a przepustowością, możesz użyć narzędzi do projektowania i układania PCB w Altium Designer^®, aby tworzyć zgodne połączenia. Będziesz miał do dyspozycji kompletny zestaw funkcji do trasowania i układania dla projektów z kontrolowaną impedancją wysokiej prędkości.

Altium Designer na Altium 365^® dostarcza niespotykany dotąd poziom integracji dla branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.