Tần số và băng thông của tín hiệu tốc độ cao là gì?

Hãy quay lại với các lớp học toán của bạn ở đại học và nhớ lại về phổ Fourier; khái niệm này cho bạn biết rằng tín hiệu số có thể được biểu diễn như là tổng vô hạn của các tần số, với việc biểu diễn thường bắt đầu từ tần số của xung đồng hồ. Từ đây, định nghĩa về băng thông tín hiệu bắt đầu trở nên rất mơ hồ, với nhiều định nghĩa tùy tiện được áp dụng để xác định giới hạn tần số trên một tín hiệu số.

Trên thực tế, một tín hiệu số không phải là một sóng vuông hoàn hảo và chỉ có thể được xấp xỉ bởi tần số Fourier của một sóng vuông hoàn hảo. Hơn nữa, phần lớn những gì được thực hiện trong thiết kế PCB tốc độ cao liên quan đến việc thiết kế một băng thông kênh để chứa đựng một băng thông tín hiệu nhất định, mặc dù nhiều chuyên gia giả định về thiết kế PCB tốc độ cao thực sự không biết rằng họ đang làm điều này.

Để làm rõ những điểm này, mục tiêu của tôi trong hướng dẫn này là giải thích băng thông của một tín hiệu số là gì và làm thế nào các nhà thiết kế nên tập trung vào băng thông kênh thay vì bận tâm về băng thông tín hiệu.

Băng Thông Kênh So Với Băng Thông Tín Hiệu

Khi chúng ta nói về dải tần của tín hiệu tốc độ cao, thông số quan trọng là công suất tập trung ở các tần số khác nhau. Theo lý thuyết, dải tần của tín hiệu tốc độ cao mở rộng ra vô hạn, nhưng phần mềm thiết kế PCB của bạn cần sử dụng một giới hạn trên nào đó để xác định băng thông phù hợp cho tín hiệu số tốc độ cao. Có một số cách để định nghĩa dải tần:

• Sử dụng tần số gối, hoặc khoảng 35% của nghịch đảo thời gian tăng
• Theo hài hòa cơ bản thứ 5 của tín hiệu
• Là tần số Nyquist của bộ thu

Câu trả lời đúng là “không có cái nào ở trên.”

Trong một cuộc thăm dò gần đây trên LinkedIn, một trong những kết nối của tôi đã hỏi cộng đồng là băng thông của tín hiệu số là bao nhiêu. Hầu như mọi người trả lời đều đề cập đến tần số gối, được định nghĩa như sau.

Tần số gối là một phép đo không chính xác của dải tần tín hiệu tốc độ cao

Công thức này là một giá trị không chính xác cho băng thông tín hiệu số vì nó không liên quan gì đến băng thông tín hiệu được cung cấp từ một trình điều khiển tốc độ cao. Tần số gối là một thước đo băng thông trong mạch RC trước khi hành động lọc thông thấp xảy ra, nơi thời gian tăng từ 10% đến 90% được xác định bởi hằng số thời gian RC. Hằng số thời gian RC này có thể khác đáng kể so với tín hiệu được cung cấp từ một trình điều khiển tốc độ cao.

Vì tần số gối dựa trên việc đo thời gian tăng cho một mạch có dung kháng, nó, thực tế, là một băng thông kênh. Nó chỉ áp dụng khi kênh vô cùng ngắn. Các kênh thực tế trong một PCB tốc độ cao có thể không hoạt động theo cách này. Càng nhanh mạch đệm trong trình điều khiển số, thì càng ít khả năng tần số gối sẽ hợp lệ.

Trong thực tế, tín hiệu số có băng thông vô hạn ngay cả khi chúng có thời gian tăng hữu hạn. Quang phổ công suất của một tín hiệu số được cho bởi một tập hợp các hài hòa với biên độ bao bọc hàm sinc, với các điểm giảm định kỳ là một chức năng của thời gian tăng và tốc độ lặp lại.

Các hài hòa trong một tín hiệu số với biên độ được xác định bởi một bao bọc hàm sinc. Lưu ý rằng điều này khiến một số hài hòa có công suất bằng không.

Dù trong trường hợp nào, bộ điều khiển số trong một kênh tốc độ cao luôn cố gắng cung cấp một tín hiệu với băng thông vô hạn. Tuy nhiên, kênh truyền tải tín hiệu đến bộ thu sẽ tạo ra những tổn thất làm giới hạn băng thông. Nhiệm vụ của bạn trong thiết kế PCB tốc độ cao và thiết kế PCB RF là thiết kế các kênh (tức là, đường truyền) cung cấp một lượng băng thông tối thiểu nhất định để đủ tín hiệu có thể truyền đến bộ thu, và sau đó bộ thu có thể khôi phục thông tin hữu ích từ tín hiệu.

Điều gì Giới hạn Băng thông Kênh?

Có một thứ giới hạn băng thông kênh: tổn thất. Tất cả các cơ chế tổn thất trong một kênh tần số cao đều phục vụ để giới hạn băng thông của tín hiệu khi tín hiệu đến bộ thu. Vậy, trên một PCB, những cơ chế tổn thất nào mà nhà thiết kế có thể cố gắng kiểm soát? Đó là tổn thất quay về, tổn thất chèn, và chuyển đổi chế độ (cho các cặp vi sai). Bất kỳ cơ chế tổn thất nào rơi vào hai loại này có thể giới hạn khả năng của kênh trong việc truyền năng lượng đến bộ thu.

Trong thiết kế PCB, tất cả các kênh sẽ giới hạn băng thông tín hiệu; chỉ là mức độ băng thông của tín hiệu bị hạn chế do băng thông kênh đến mức nào. Không chỉ biết các loại tổn thất và các cơ chế tổn thất khác nhau, việc biết các yếu tố trong PCB góp phần vào những tổn thất này cũng rất quan trọng.

Để định lượng băng thông, chúng ta có một số công cụ có sẵn giúp xác định các cơ chế tổn thất quá mức; điều này liên quan đến việc sử dụng mô phỏng và đo lường S-parameter. Bất cứ khi nào kết quả S-parameter chỉ ra rằng có sự giới hạn băng thông (thông qua tổn thất trả về cao, tổn thất chèn, và chuyển đổi chế độ), nhiệm vụ của nhà thiết kế là tìm ra các yếu tố giới hạn băng thông trong kênh và sửa đổi thiết kế.

Sửa chữa các kênh có băng thông giới hạn (Tổn thất quá mức)

Từ góc độ giới hạn băng thông do mất mát quá mức, việc sửa chữa một kênh có băng thông hạn chế đòi hỏi phải xác định xem mất mát của kênh là do phản xạ chiếm ưu thế hay do mất mát chèn chiếm ưu thế. Điều này có thể được xác định từ phép đo phản xạ miền thời gian (TDR).

Khi phép đo TDR cho thấy phản xạ đáng kể, thì cần phải giảm thiểu nếu xác định được rằng mất mát trở lại quá mức trong yêu cầu băng thông kênh. Một ví dụ từ cuộc phỏng vấn podcast Altium OnTrack gần đây của chúng tôi với Yuriy Shlepnev được hiển thị dưới đây; xem toàn bộ tập tại đây.

Phép đo TDR mô phỏng từ Simbeor.

Dựa vào tọa độ thời gian trong biểu đồ TDR, có thể xác định sự không liên tục trở kháng tại mỗi điểm dọc theo đường dẫn và sửa đổi kênh theo yêu cầu để đảm bảo phản xạ tối thiểu. Trong những trường hợp khác, khi có ít phản xạ nhưng mất mát quá mức, có thể cần vật liệu mất mát thấp hơn hoặc tuyến đường ngắn hơn.

Trong trường hợp của các cặp vi sai, hình thức mất mát thứ ba có thể xảy ra, chuyển đổi chế độ, có thể được xác định từ biểu đồ S-tham số chế độ hỗn hợp. Điều này sẽ cho thấy sự chuyển đổi của công suất vi sai sang công suất chung, sau đó sẽ được bộ thu vi sai loại bỏ. Để tìm hiểu thêm, hãy đọc hướng dẫn của chúng tôi về chuyển đổi chế độ trong các cặp vi sai.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer^®. Để triển khai sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365^™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.