Tốc độ Dữ liệu và Băng thông: Sự Khác Biệt là gì?

Tốc độ dữ liệu và băng thông đôi khi được sử dụng thay thế cho nhau, phần lớn nhờ vào các công ty quảng cáo và truyền thông, những người đã biến một thuật ngữ kỹ thuật quan trọng từ thiết kế mạch analog thành một từ khóa đình đám. Từ “băng thông” hiện nay được lạm dụng đến mức nó đã vô tình nhận lấy một ý nghĩa liên quan một cách nào đó từ thiết kế ADC. Trong thiết kế PCB và thiết kế mạch, băng thông đôi khi có một sự phân biệt rõ ràng không liên quan gì đến tốc độ dữ liệu, và đôi khi nó đề cập đến một số chất lượng của tín hiệu và sự tương tác của nó với bộ thu.

Với sự khác biệt giữa tốc độ dữ liệu và băng thông không rõ ràng, điều này liên quan như thế nào đến thiết kế PCB của bạn? Chúng ta sẽ xem xét sâu hơn về vấn đề này trong bài viết này để có thể xác định các chỉ số độ tin cậy tín hiệu cho các kênh tốc độ cao cực kỳ. Những ý tưởng tương tự xung quanh các chỉ số độ tin cậy tín hiệu cũng được phản ánh trong tiêu chuẩn USB 4.0 gần đây và sẽ trở nên quan trọng hơn trong các tiêu chuẩn tín hiệu tốc độ cao mới hơn.

Tốc Độ Dữ Liệu so với Băng Thông

Tốc độ dữ liệu chính xác là như nó nghe có vẻ: số lượng bit được truyền qua một kênh hoặc bởi một thành phần trong một đơn vị thời gian. Tốc độ dữ liệu cũng có thể được viết dưới dạng tốc độ baud (ví dụ, số lượng ký hiệu trên giây), điều này cho phép chúng ta phân biệt giữa các kế hoạch tín hiệu nhị phân và đa cấp (xem bên dưới). Điều này khá đơn giản; đối với một dòng bit 2 cấp (nhị phân) (ví dụ, NRZ), tốc độ baud bằng với tốc độ bit. Đối với tín hiệu 4 cấp (ví dụ, PAM4), tốc độ baud bằng một nửa tốc độ bit vì hai bit được truyền trong mỗi khoảng thời gian đơn vị (UI).

Băng thông thường được sử dụng bởi các nhà thiết kế điện tử ở mọi lĩnh vực để chỉ một hoặc nhiều điều sau đây:

• -3 dB điểm. Nếu bạn đang thiết kế một bộ lọc, điều này thường được sử dụng để chỉ tần số mà tại đó hàm truyền của bộ lọc (độ lớn) giảm 3 dB. 
• Phạm vi tần số mà một thành phần có thể nhận/phát. Tôi thường thấy điều này được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu khác làm việc trên tích hợp hoặc thiết kế hệ thống, nơi có nhu cầu phải khớp một thành phần/hệ thống mới để nhận/phát trong một phạm vi tần số cụ thể. 
• Nội dung tần số của tín hiệu.Tín hiệu băng thông rộng có thể có nội dung tần số phân bố trên một phạm vi rộng lớn của các tần số, và băng thông xác định kích thước của phổ này.
• Phạm vi tần số hoạt động của một kênh. Đây là phạm vi các tần số mà một kênh có thể truyền với tổn thất thấp.
• Khả năng tốc độ dữ liệu của một kênh. Định nghĩa này xuất phát vì tốc độ dữ liệu (thực sự là tốc độ baud) và phạm vi tần số hoạt động có liên quan. Nó có thể được sử dụng để mô tả, các liên kết sợi quang, liên kết không dây, hoặc liên kết đồng trong viễn thông, và không chỉ giới hạn trong việc mô tả các kết nối cấp bo mạch.

Ba điểm cuối cùng quan trọng hơn đối với nhà thiết kế kỹ thuật số vì đây là nơi mối quan hệ giữa băng thông so với tốc độ dữ liệu cần được làm rõ cho các nhà thiết kế PCB. Có một sự phân biệt quan trọng ở đây giữa băng thông tín hiệu và băng thông kênh. Đây không phải là cùng một thứ. Băng thông kênh luôn có hạn, có nghĩa là một kênh chỉ có thể truyền đáng tin cậy các tần số lên đến một giá trị nhất định.

Từ bảng trên, chúng ta có thể thấy rằng các kênh luôn có băng thông hạn chế, trong khi tín hiệu của bạn có thể có băng thông vô hạn (tín hiệu số). Tại đây, băng thông kênh và băng thông tín hiệu gặp nhau khi chúng ta làm việc trên các thiết kế số tốc độ cao. Điểm quan trọng cần biết về thiết kế hệ thống số tốc độ cao là:

Đối với tín hiệu số, băng thông là vô hạn. Đôi khi người ta nói rằng tín hiệu số phải có băng thông hữu hạn, nhưng điều này không chính xác, và có thể chứng minh rằng băng thông của một tín hiệu số là vô hạn chỉ bằng cách sử dụng định nghĩa của chuỗi Fourier cho một sóng hình thang. Lý do cho sự nhầm lẫn này đến từ ý tưởng rằng sẽ cần vô hạn năng lượng để tạo ra một tín hiệu số hoàn hảo. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là một tín hiệu số thực tế phải có băng thông hữu hạn chỉ vì năng lượng mà nó chứa là hữu hạn.

Đối với tín hiệu analog, đôi khi chúng ta không quan tâm đến băng thông tín hiệu trừ khi chúng ta sử dụng điều chế với một tín hiệu mang (ví dụ, Ethernet), hoặc chúng ta đang làm việc với các xung (như trong lidar) hoặc các dạng sóng chirp (như trong radar FMCW). Băng thông cho một tín hiệu analog khá nhỏ và có thể được thấy trực tiếp trên dấu vết của máy phân tích phổ hoặc được tính toán bằng cách áp dụng FFT cho một phép đo trong miền thời gian. Bạn có thể định nghĩa băng thông nói chung là phạm vi các tần số bị cắt bởi mức nền nhiễu trong dấu vết oscilloscope của bạn. Tình hình không đơn giản như vậy đối với các tần số số.

Băng Thông Tín Hiệu Số Là Gì

Ở đây, khi tôi nói đến băng thông, tôi đang nói đến nội dung tần số tạo nên một tín hiệu số, hay băng thông tín hiệu. Một lần nữa tôi muốn nhấn mạnh sự khác biệt giữa băng thông tín hiệu và băng thông kênh bằng cách nói rằng một nhà thiết kế PCB tốc độ cao nên tập trung vào việc đạt được mục tiêu băng thông kênh; băng thông tín hiệu luôn vô hạn nên nó không thể tránh khỏi là không quan trọng.

Tuy nhiên, nếu chúng ta muốn định nghĩa một mục tiêu băng thông thiết kế cho một kết nối liên lạc, như là một đường truyền cho các liên kết tốc độ cao rất cao, chúng ta có thể đưa ra một vài định nghĩa khác nhau:

• Harmonic thứ 5. Đây là một điểm cắt phổ biến nhưng tùy ý cho băng thông tín hiệu số. Tôi nói đây là tùy ý bởi vì bạn cũng có thể sử dụng bất kỳ tần số lẻ nào khác lớn hơn harmonic thứ 5. Định nghĩa này nói rằng băng thông là 2.5 lần tốc độ baud.
• Tần số gối. Tần số cụ thể này thường được ước lượng là 0.5/t_rise. Nói cách khác, nó nói rằng băng thông nói chung không liên quan đến tốc độ dữ liệu, mặc dù một tốc độ dữ liệu nhị phân cao hơn sẽ có thời gian tăng nhanh hơn.
• Tần số Nyquist. Giả sử một bộ thu chỉ lấy mẫu một tín hiệu số nhị phân với tốc độ bằng với tốc độ baud, thì tần số Nyquist sẽ bằng một nửa tốc độ baud.

Khi nào mỗi định nghĩa này quan trọng? Ngay lập tức, tôi sẽ nói với bạn rằng giới hạn harmonic thứ 5 hoàn toàn tùy ý và không có cơ sở toán học. Hai định nghĩa khác phụ thuộc vào loại định dạng tín hiệu bạn đang sử dụng (sóng vuông so với sóng tương tự được điều chế số).

Tín Hiệu Hình Vuông Đều

Dù tôi thấy các nhà thiết kế kỹ thuật số bắt đầu trích dẫn tần số gối như một loại giới hạn băng thông tín hiệu nào đó, đó không phải là ý định ban đầu và nó không cụ thể nói về năng lượng chứa đựng trong phổ công suất ở các tần số khác nhau. Tần số gối được suy ra bằng cách xem xét phản ứng của mạch RC đối với tín hiệu hình vuông đầu vào. Điều này được thực hiện bởi vì, trong ý nghĩa đơn giản nhất, giao diện đầu vào trong một bộ thu số có thể được mô hình hóa như một mạch RC, và chúng ta có thể liên hệ thời gian tăng lên với một số băng thông chứa đựng trong tín hiệu đến.

Trong bối cảnh này, tần số gối chỉ cho bạn biết băng thông tín hiệu cần đạt đến bộ thu. Nếu chúng ta cho phép có sự cảm ứng, các bộ thu số chỉ là các bộ lọc thông thấp 2 cực, và băng thông kênh tối thiểu được suy ra dựa trên thời gian tăng giả định rằng phản ứng của bộ thu là tắt tiếng quan trọng. Băng thông kênh đo liệu phản ứng của bộ thu đối với đầu vào hình vuông cho phép dung lượng của nó sạc lên đến mức logic mong muốn trong một khoảng thời gian nhất định hay không. Nếu kênh không có đủ băng thông, thì thời gian tăng có thể quá chậm, vì vậy theo lý thuyết bộ thu có thể không đọc được tín hiệu logic đầu vào trong một khoảng thời gian yêu cầu.

Tuy nhiên, đây không phải là cách thức hoạt động thực sự của các bộ thu số dùng điện dung khi được kích thích bằng sóng vuông. Ví dụ, I2C và SPI không có giới hạn thời gian tăng dốc tối thiểu nghiêm ngặt, và trong các linh kiện thực tế, bạn có thể thấy một loạt các giá trị khác nhau được chấp nhận. Tập trung vào những gì giao diện cần để hoạt động đúng cách để xác định thời gian tăng dốc tối thiểu cho phép đảm bảo khóa vào tín hiệu logic, và sau đó sử dụng điều đó để xác định băng thông tối thiểu cần thiết. Trong hầu hết các trường hợp thực tế với một đường truyền được thiết kế đúng cách chạy lên đến vài Gbps, kênh của bạn sẽ có đủ băng thông cho những tín hiệu này.

Cách Tính Băng Thông Kênh Tối Thiểu Cần Thiết cho Tín Hiệu Điều Chế

Nếu bạn đang thiết kế một kênh để đảm bảo nó có thể truyền tín hiệu điều chế số, làm thế nào bạn có thể đảm bảo kênh cung cấp đủ băng thông để tín hiệu số có thể được bộ thu đọc? Điều này đòi hỏi phải biết lượng băng thông tối thiểu, có thể là tần số -3 dB (hoặc tần số gối), hoặc sẽ là tần số Nyquist. Có một điểm quan trọng ở đây:

Hai định nghĩa còn lại không liên quan đến các loại tín hiệu này. Trường hợp phổ biến nhất mà loại thiết kế kênh này được sử dụng là trong Ethernet, sử dụng các hệ thống điều chế xung biên độ (PAM). Ví dụ, 100Base-T4 sử dụng PAM-3, trong khi 1000Base-T sử dụng PAM-5 và 10GBase-T sử dụng Tomlinson-Harashima Precoded PAM-16.

Để xác định băng thông tối thiểu mà một kênh cần để truyền một dòng bit điều chế với tốc độ dữ liệu số D, chúng ta có thể sử dụng định lý Nyquist được trình bày dưới đây:

Để hiểu cách thức hoạt động của nó, chúng ta sẽ xem xét các định dạng tín hiệu phổ biến được sử dụng trong các liên kết tuần tự tốc độ cao rất cao (56 Gbps và cao hơn):

Băng thông kênh tối thiểu cho RZ/NRZ và PAM-4

Ngày nay, các liên kết tuần tự chênh lệch nhanh nhất đang sử dụng ba định dạng dữ liệu có thể với điều chế xung biên độ:

• Quay trở lại không (RZ)
• Không quay trở lại không (NRZ)
• Modulation biên độ xung 4 cấp (PAM-4)

RZ và NRZ sử dụng 2 mức tín hiệu cho mỗi khoảng thời gian, trong khi PAM-4 sử dụng 4 mức. Chúng ta có thể tiếp tục mở rộng điều này lên số mức tín hiệu cao hơn, như kênh PAM-8 được hiển thị bên dưới. Lưu ý rằng PAM-8 chưa được sử dụng trong các kênh nối tiếp nhanh nhất, nó chỉ được hiển thị như một ví dụ, nhưng ai biết được điều đó có thể thay đổi trong tương lai hay không.

Đối với những tín hiệu đa cấp được điều chế này, tần số Nyquist là mục tiêu thiết kế duy nhất có liên quan đến băng thông kênh tối thiểu. Ở đây, băng thông (bằng với tần số Nyquist) có thể được định nghĩa là:

nơi N là số mức tín hiệu trên mỗi baud và D là tốc độ bit. Điều này khớp về mặt khái niệm với cùng một ý tưởng được đề cập trong tiêu chuẩn Nyquist như được định nghĩa cho một ADC, nơi tốc độ lấy mẫu khớp với tốc độ baud. Điều cần nhớ là: chỉ vì chúng ta nói băng thông của một kênh là X GHz, không có nghĩa là tốc độ dữ liệu bị giới hạn ở 2X GHz; tiêu chuẩn tín hiệu cũng quan trọng.

Khi bạn hiểu được sự khác biệt giữa tốc độ dữ liệu và băng thông, bạn có thể sử dụng các công cụ thiết kế và bố trí PCB trong Altium Designer^® để tạo ra các kết nối tuân thủ. Bạn sẽ có một bộ đầy đủ các tính năng định tuyến và bố trí cho các thiết kế kiểm soát trở kháng tốc độ cao.

Altium Designer trên Altium 365^® mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử, trước đây chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ xa và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.