信號完整性和射頻知識基本概念和術語

2016-09-29 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一.信號完整性的一些基本概念

1.信號完整性(Signal Integrity):就是指電路系統中信號的質量,如果在要求的時間內,信號能不失真地從源端傳送到接收端,我們就稱該信號是完整的。

2.傳輸線(TransmissionLine):由兩個具有一定長度的導體組成回路的連接線,我們稱之為傳輸線,有時也被稱為延遲線。

3.集總電路(Lumped circuit):在一般的電路分析中,電路的所有參數,如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的各個點上,各個元件上,各點之間的信號是瞬間傳遞的,這種理想化的電路模型稱為集總電路。

4.分布式系統(DistributedSystem):實際的電路情況是各種參數分布于電路所在空間的各處,當這種分散性造成的信號延遲時間與信號本身的變化時間相比已不能忽略的時侯,整個信號通道是帶有電阻、電容、電感的復雜網絡,這就是一個典型的分布參數系統。

5.上升/下降時間(Rise/Fall Time):信號從低電平跳變為高電平所需要的時間,通常是量度上升/下降沿在10%-90%電壓幅值之間的持續時間,記為Tr。

6.截止頻率(Knee Frequency):這是表征數字電路中集中了大部分能量的頻率范圍(0.5/Tr),記為Fknee,一般認為超過這個頻率的能量對數字信號的傳輸沒有任何影響。

7.特征阻抗(Characteristic Impedance):交流信號在傳輸線上傳播中的每一步遇到不變的瞬間阻抗就被稱為特征阻抗,也稱為浪涌阻抗,記為Z0?？梢酝ㄟ^傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(V/I)來表示。

8.傳輸延遲(Propagation delay):指信號在傳輸線上的傳播延時,與線長和信號傳播速度有關,記為tPD。

9.微帶線(Micro-Strip):指只有一邊存在參考平面的傳輸線。

10.帶狀線(Strip-Line):指兩邊都有參考平面的傳輸線。

11.趨膚效應(Skin effect):指當信號頻率提高時,流動電荷會漸漸向傳輸線的邊緣靠近,甚至中間將沒有電流通過。與此類似的還有集束效應,現象是電流密集區域集中在導體的內側。

12.反射(Reflection):指由于阻抗不匹配而造成的信號能量的不完全吸收,發射的程度可以有反射系數ρ表示。

13.過沖/下沖(Over shoot/under shoot):過沖就是指接收信號的第一個峰值或谷值超過設定電壓——對于上升沿是指第一個峰值超過最高電壓;對于下降沿是指第一個谷值超過最低電壓,而下沖就是指第二個谷值或峰值。

14.振蕩:在一個時鐘周期中,反復的出現過沖和下沖,我們就稱之為振蕩。振蕩根據表現形式可分為振鈴(Ringing)和環繞振蕩,振鈴為欠阻尼振蕩,而環繞振蕩為過阻尼振蕩。

匹配(Termination):指為了消除反射而通過添加電阻或電容器件來達到阻抗一致的效果。因為通常采用在源端或終端,所以也稱為端接。

15.串擾:串擾是指當信號在傳輸線上傳播時,因電磁耦合對相鄰的傳輸線產生的不期望的電壓噪聲干擾,這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的。

信號回流(Return current):指伴隨信號傳播的返回電流。

16.自屏蔽(Self shielding):信號在傳輸線上傳播時,靠大電容耦合抑制電場,靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽。

17.前向串擾(Forward Crosstalk):指干擾源對犧牲源的接收端產生的第一次干擾,也稱為遠端干擾(Far-end crosstalk)。

18.后向串擾(Forward Crosstalk):指干擾源對犧牲源的發送端產生的第一次干擾,也稱為近端干擾(Near-end crosstalk)。

19.屏蔽效率(SE):是對屏蔽的適用性進行評估的一個參數,單位為分貝。

吸收損耗:吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽值氖焙蚰芰克鷙牡氖俊?br>20.反射損耗:反射損耗是指由于屏蔽的內部反射導致的能量損耗的數量,他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化。

21.校正因子:表示屏蔽效率下降的情況的參數,由于屏蔽物吸收效率不高,其內部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子是個負數,而且只使用于薄屏蔽罩中存在多個反射的情況分析。

22.差模EMI:傳輸線上電流從驅動端流到接收端的時候和它回流之間耦合產生的EMI,就叫做差模EMI。

23.共模EMI:當兩條或者多條傳輸線以相同的相位和方向從驅動端輸出到接收端的時候,就會產生共模輻射,既共模EMI。

24.發射帶寬:即最高頻率發射帶寬,當數字集成電路從邏輯高低之間轉換的時候,輸出端產生的方波信號頻率并不是導致EMI的唯一成分。該方波中包含頻率范圍更寬廣的正弦諧波分量,這些正弦諧波分量是工程師所關心的EMI頻率成分,而最高的EMI頻率也稱為EMI的發射帶寬。

25.電磁環境:存在于給定場所的所有電磁現象的總和。

27.電磁干擾:電磁騷擾引起設備、傳輸通道和系統性能的下降。

28.電磁兼容性:設備或者系統在電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

29.系統內干擾:系統中出現由本系統內部電磁騷擾引起的電磁干擾。

30.系統間干擾:有其他系統產生的電磁干擾對一個系統造成的電磁干擾。

31.靜電放電:具有不同靜電電位的物體相互接近或者接觸時候而引起的電荷轉移。

*建立時間(Setup Time):建立時間就是接收器件需要數據提前于時鐘沿穩定存在于輸入端的時間。

32.保持時間(Hold Time):為了成功的鎖存一個信號到接收端,器件必須要求數據信號在被時鐘沿觸發后繼續保持一段時間,以確保數據被正確的操作。這個最小的時間就是我們說的保持時間。

33.飛行時間(Flight Time):指信號從驅動端傳輸到接收端,并達到一定的電平之間的延時,和傳輸延遲和上升時間有關。

34.Tco:是指器件的輸入時鐘邊緣觸發有效到輸出信號有效的時間差,這是信號在器件內部的所有延遲總和,一般包括邏輯延遲和緩沖延遲。緩沖延遲(buffer delay):指信號經過緩沖器達到有效的電壓輸出所需要的時間

35.時鐘抖動(Jitter):時鐘抖動是指時鐘觸發沿的隨機誤差,通常可以用兩個或多個時鐘周期之間的差值來量度,這個誤差是由時鐘發生器內部產生的,和后期布線沒有關系。

36.時鐘偏移(Skew):是指由同樣的時鐘產生的多個子時鐘信號之間的延時差異。

假時鐘: 假時鐘是指時鐘越過閾值(threshold)無意識地改變了狀態(有時在VIL 或VIH之間)。通常由于過分的下沖(undershoot)或串擾(crosstalk)引起。

37.電源完整性(PowerIntegrity): 指電路系統中的電源和地的質量。

38.同步開關噪聲(Simultaneous Switch Noise):指當器件處于開關狀態,產生瞬間變化的電流(di/dt),在經過回流途徑上存在的電感時,形成交流壓降,從而引起噪聲,簡稱SSN。也稱為Δi噪聲。

39.地彈(Ground Bounce):指由于封裝電感而引起地平面的波動,造成芯片地和系統地不一致的現象。同樣,如果是由于封裝電感引起的芯片和系統電源差異,就稱為電源反彈(Power Bounce)。

二.射頻知識基本概念和術語

概念辨析:dBm, dBi, dBd, dB, dBc

1、dBm
dBm是一個考征功率絕對值的值,計算公式為:10lgP(功率值/1mw)。
[例1] 如果發射功率P為1mw,折算為dBm后為0dBm。
[例2] 對于40W的功率,按dBm單位進行折算后的值應為:
10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。
2、dBi 和dBd
dBi和dBd是考征增益的值(功率增益),兩者都是一個相對值,但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線,dBd的參考基準為偶極子,所以兩者略有不同。一般認為,表示同一個增益,用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2. 15。
[例3] 對于一面增益為16dBd的天線,其增益折算成單位為dBi時,則為18.15dBi(一般忽略小數位,為18dBi)。
[例4] 0dBd=2.15dBi。
[例5] GSM900天線增益可以為13dBd(15dBi),GSM1800天線增益可以為15dBd(17dBi)。
3、dB
dB是一個表征相對值的值,當考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時,按下面計算公式:10lg(甲功率/乙功率)
[例6] 甲功率比乙功率大一倍,那么10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是說,甲的功率比乙的功率大3 dB。
[例7] 7/8 英寸GSM900饋線的100米傳輸損耗約為3.9dB。
[例8] 如果甲的功率為46dBm,乙的功率為40dBm,則可以說,甲比乙大6 dB。
[例9] 如果甲天線為12dBd,乙天線為14dBd,可以說甲比乙小2 dB。
4、dBc
有時也會看到dBc,它也是一個表示功率相對值的單位,與dB的計算方法完全一樣。一般來說,dBc 是相對于載波(Carrier)功率而言,在許多情況下,用來度量與載波功率的相對值,如用來度量干擾(同頻干擾、互調干擾、交調干擾、帶外干擾等)以及耦合、雜散等的相對量值。在采用dBc的地方,原則上也可以使用dB替代。

1、功率/電平(dBm):放大器的輸出能力,一般單位為w、mw、dBm
注:dBm是取1mw作基準值,以分貝表示的絕對功率電平。換算公式:
電平(dBm)=10lgw
5W → 10lg5000=37dBm
10W → 10lg10000=40dBm
20W → 10lg20000=43dBm
從上不難看出,功率每增加一倍,電平值增加3dBm
2、增益(dB):即放大倍數,單位可表示為分貝(dB)。
即:dB=10lgA(A為功率放大倍數)
3、插損:當某一器件或部件接入傳輸電路后所增加的衰減,單位用dB表示。
4、選擇性:衡量工作頻帶內的增益及帶外輻射的抑制能力。-3dB帶寬即增益下降3dB時的帶寬,-40dB、-60dB同理。
5、駐波比(回波損耗):行駐波狀態時,波腹電壓與波節電壓之比(VSWR)
附:駐波比——回波損耗對照表:
SWR 1.2 1.25 1.30 1.35 1.40 1.50
回波損耗(dB) 21 19 17.6 16.6 15.614.0
6、三階交調:若存在兩個正弦信號ω1和ω2 由于非線性作用將產生許多互調分量,其中的2ω1-ω2和2ω2-ω1兩個頻率分量稱為三階交調分量,其功率P3和信號ω1或ω2的功率之比稱三階交調系數M3。
即M3 =10lg P3/P1 (dBc)
7、噪聲系數:一般定義為輸出信噪比與輸入信噪比的比值,實際使用中化為分貝來計算。單位用dB。
8、耦合度:耦合端口與輸入端口的功率比, 單位用dB。
9、隔離度:本振或信號泄露到其他端口的功率與原有功率之比,單位dB。
10、天線增益(dB):指天線將發射功率往某一指定方向集中輻射的能力。一般把天線的最大輻射方向上的場強E與理想各向同性天線均勻輻射場場強E0相比,以功率密度增加的倍數定義為增益。Ga=E2/ E02
11、天線方向圖:是天線輻射出的電磁波在自由空間存在的范圍。方向圖寬度一般是指主瓣寬度即從最大值下降一半時兩點所張的夾角。
E面方向圖指與電場平行的平面內輻射方向圖;
H面方向圖指與磁場平行的平面內輻射方向圖。
一般是方向圖越寬,增益越低;方向圖越窄,增益越高。
12、天線前后比:指最大正向增益與最大反向增益之比,用分貝表示。
13、單工:亦稱單頻單工制,即收發使用同一頻率,由于接收和發送使用同一個頻率,所以收發不能同時進行,稱為單工。
14、雙工:亦稱異頻雙工制,即收發使用兩個不同頻率,任何一方在發話的同時都能收到對方的講話。
單工、雙工都屬于移動通信的工作方式。
15、放大器:(amplifier)用以實現信號放大的電路。
16、濾波器:(filter)通過有用頻率信號抑制無用頻率信號的部件或設備
17、衰減器:(attenuator) 在相當寬的頻段范圍內一種相移為零、其衰減和特性阻抗均為與頻率無關的常數的、由電阻元件組成的四端網絡,其主要用途是調整電路中信號大小、改善阻抗匹配。
功分器:進行功率分配的器件。有二、三、四….功分器;接頭類型分N頭(50Ω)、SMA頭(50Ω)、和F頭(75Ω)三種,我們公司常用的是N頭和SMA頭。
18、耦合器:從主干通道中提取出部分信號的器件。按耦合度大小分為5、10、15、20…. dB不同規格;從基站提取信號可用大功率耦合器(300W),其耦合度可從30~65dB中選用;耦合器的接頭多采用N頭。
19、負載:終端在某一電路(如放大器)或電器輸出端口,接收電功率的元/器件、部件或裝置統稱為負載。對負載最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。
20、環形器:使信號單方向傳輸的器件.
21、轉接頭:把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置。
22、饋線:是傳輸高頻電流的傳輸線。
23、天線:(antenna)是將高頻電流或波導形式的能量變換成電磁波并向規定方向發射出去或把來自一定方向的電磁波還原為高頻電流