В чем разница между скоростью передачи данных и пропускной способностью?

Понятия скорости передачи данных и пропускной способности иногда используются взаимозаменяемо, во многом благодаря рекламе и средствам массовой информации, которые превратили важный технический термин из области проектирования аналоговых схем в расхожее слово. Термин «пропускная способность» теперь используется неправильно, до такой степени, что он непреднамеренно приобрел несколько схожее значение с аналогичным из области проектирования аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). В проектировании печатных плат и схем пропускная способность не имеет ничего общего со скоростью передачи данных, и иногда относится к качеству сигнала и его взаимодействию с приемником.

Поскольку различия между скоростью передачи данных и пропускной способностью нечеткие, это некоторым образом может отразиться на конструкции вашей платы. В этой статье мы рассмотрим этот факт подробнее, чтобы увидеть, как определять показатели целостности сигнала для сверхвысокоскоростных каналов. Те же самые идеи относительно показателей целостности сигналов отражены в недавно выпущенном стандарте для USB 4.0 и они станут ещё более важными в новых стандартах высокоскоростной передачи сигналов.

Разница между скоростью передачи данных и пропускной способностью

Значение термина «скорость передачи данных» полностью соответствует его формулировке: количество битов, переданных через канал или компонент в единицу времени. Скорость передачи данных также может быть выражена в бодах (например, количество сигнальных единиц в секунду), что позволяет нам различать двоичные и многоуровневые схемы передачи данных. Это довольно просто: для 2-х уровневого сигнала (например, сигнала с активной паузой) скорость передачи в бодах равна скорости передачи битов в секунду. Для 4-уровневого сигнала (например, PAM4) скорость передачи в бодах составляет половину скорости передачи битов, так как два бита передаются за единичный интервал (UI).

Пропускная способность обычно используется разработчиками электронных средств для обозначения одного или нескольких из следующих понятий:

• Точка -3 дБ. При разработке фильтра, эта точка обычно используется для обозначения частоты, на которой передаточная функция фильтра (её значение) падает на 3 дБ. 
• Диапазон частот, в котором компонент может выполнять прием/передачу. Я видел как именно этим определением пользовались специалисты, работающие над интеграцией или проектированием системы, в которой необходимо согласовать новый компонент/подсистему в целях обеспечения приема/передачи в определенном частотном диапазоне. 
• Частотный состав сигнала. Частотный состав широкополосного сигнала может быть распределен в широком диапазоне частот, а пропускная способность определяет размер этого спектра. 
• Скорость передачи данных в канале. Это определение возникает из-за того, что скорость передачи данных (фактически скорость в бодах) и частотный состав связаны между собой, но обычно оно используется для описания волоконно-оптических или беспроводных линий связи, а не межсоединений на уровне платы.

Последнее из двух указанных понятий наиболее важно для разработчика цифровых устройств, поскольку именно здесь разработчику платы необходимо прояснить взаимосвязь между пропускной способностью и скоростью передачи данных. Для аналоговых сигналов пропускная способность не имеет никакого значения, если мы не используем модуляцию несущим сигналом (например, Ethernet), работаем с импульсами (например, импульсами лидара) или волнами с линейной частотной модуляцией (например, в частотно-модулированной РЛС непрерывного излучения). Пропускная способность аналогового сигнала довольно мала, и ее можно увидеть прямо на экране анализатора спектра. Обычно пропускную способность можно определить как диапазон частот, который отсекается минимальным уровнем шума на осциллограмме. С частотами цифровых каналов дело обстоит не так просто.

Пропускная способность в контексте цифровых сигналов

В этом разделе, когда я говорю о пропускной способности, я имею в виду частотный состав, формирующий цифровой сигнал. Для пропускной способности цифрового сигнала всё не так очевидно, потому что математически в частотном диапазоне она доходит до бесконечности. Следовательно, чтобы установить какое-то полезное определение пропускной способности для его использования при проектировании линий передачи сверхвысокоскоростных каналов, нам необходимо установить некоторый соответствующий верхний предел пропускной способности цифрового сигнала.

2-х уровневые сигналы

Вот несколько общих определений пропускной способности для 2-х уровневого сигнала (например, для сигнала с активной паузой):

• 5-я гармоника. Это часто используемая, произвольная точка отсечения пропускной способности цифрового сигнала. Я называю ее произвольной, потому что вы также можете использовать любую другую нечетную частоту, больше 5-й гармоники. Это определение показывает, что пропускная способность в 2,5 раза превышает скорость передачи данных. 
• Частота сопряжения. Эта конкретная частота обычно округлена до 0,35/t-нарастания. Иными словами, это говорит нам что пропускная способность обычно не связана со скоростью передачи данных, хотя более высокая скорость передачи двоичных данных будет приводить к меньшему времени нарастания.
• Частота Найквиста. Если допустить, что приемник производит выборку только двоичного цифрового сигнала со скоростью, равной скорости передачи данных, частота Найквиста будет равна половине скорости передачи данных. Это еще один распространенный параметр пропускной способности для двоичных цифровых сигналов.

Здесь у нас есть два параметра, которые связывают пропускную способность со скоростью передачи данных: 5-я гармоника и частота Найквиста. Среди них частота Найквиста является более обобщенным параметром, по отношению к многоуровневым битовым потокам.

Многоуровневые сигналы

Для многоуровневого сигнала, такого как битовый поток с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), частота Найквиста является лучшим определением пропускной способности, поскольку она является наиболее общим параметром до любого количества уровней сигнала. Здесь пропускная способность (равная частоте Найквиста) может быть определена следующим образом:

где N — количество уровней сигнала, а D — скорость передачи в битах в секунду. Концептуально это соответствует той же идее, которая используется в критерии Найквиста, так же как и для АЦП, где частота дискретизации соответствует скорости передачи данных. Вывод: если мы говорим, что пропускная способность канала составляет X ГГц, это не означает, что скорость передачи данных ограничена до 2X ГГц; стандарт передачи данных также играет свою роль. Фактически, пропускная способность с точки зрения ее частотного состава должна определяться в каждом конкретном случае, единого уравнения нет.

Когда я смотрю на пропускную способность конкретного битового потока, я всегда выбираю более высокую частоту сопряжения или частоту Найквиста для 2-х уровневых сигналов. Для многоуровневых сигналов я использую частоту Найквиста как адекватный показатель пропускной способности. При просмотре S-параметров или передаточной функции канала вы можете сосредоточиться на частотах в пределах или ниже пропускной способности, поскольку приемник ограничивает соответствующую пропускную способность канала. Вам нужно учитывать только потери в линиях и согласовать импедансы на частотах вплоть до пропускной способности.

Как только вы поймете разницу между скоростью передачи данных и пропускной способностью, вы сможете использовать инструменты проектирования печатных плат Altium Designer^® для создания согласованных линий передачи. У вас будет полный набор инструментов компоновки и трассировки для высокоскоростных проектов с контролем импеданса.

Altium Designer на Altium 365^® обеспечивает беспрецедентную интеграцию в сфере производства электроники, которая до сих пор была доступна лишь в сфере разработки программного обеспечения, позволяя разработчикам работать из дома и достигать наивысшего уровня эффективности.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Вы можете зайти на страницу продукта, чтобы посмотреть более подробное описание функций, или посетить один из Вебинаров по запросу.