信息与通信工程专业英语(第2版) 韩定定 李明明.pdf

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。典型情况下,数字设计包含发送及接收一系列如图1所示的梯形电压信号,其中高电压代表1低电压代表0。携带数字信号的传输路径是相互连通的。连接包括从发送信号的芯片到接收信号的芯片:..中的所有电通路。这包括芯片包、连接件、插座及无数个附加结构。一组连接件被称为一条总线。一个由数字接收机区分高电压和低电压的电压范围被称为门限区域。在该区域中,接收机可以判为高电平也可以被判为低电平。在芯片上,实际的开关电压随着温度、电压、芯片处理过程及其它参数变化而变化。从一个系统设计师的角度来看,有高电压门限和低电压门限,被称为Vih和Vil,高于接收芯片的高电压门限或低于接收芯片的低电压门限的信号可以保证在任何情况下都能被收到。因此为了保证数据的完整性,系统设计者必须保证在任何条件下,所发送的高电压不能——甚至是一小会儿的时间,低于Vih,低电压必须一直低于Vil。为了使一个数字系统的运行速度最大化,在门限电压区域的不确定时间应被最小化。这意味着数字信号的上升或下降时间必须越短越好。理想情况下,信号上升或下降速率应该无限大,实际上由于许多实际因素的影响而不会这么理想。实际中,几百皮秒的边沿速率是可以达到的。读者通过傅立叶变换可验证到,边沿速率越大,信号的频谱越高,也意味着难度更大。每个导体都有电容,电感及与频率有关的电阻。当频率足够高时,这三个无一可以被忽略。因此一根导线将不再是一个导线,而是一个具有延迟和传输阻抗的分布式寄生元件,表现在从一个芯片到接收芯片的过程中就是传输的波形中具有信号扭曲及短时脉冲干扰噪声。导线变成了一个元件,与其周围的任何元件包括电源及地线配成对。一个信号不完全存在于导体本身中,而是当前所有的磁场和电场的合成。一个连接中的信号可能影响另一个连接中的信号或被另一个连接中的信号所影响。更进一步说,在高频时同一个连接的不同部分之间如包、连接件及弯曲之间都会存在复杂的相互影响。所有这些高频效应趋向于产生奇怪的、歪曲的波形。这确实给了设计者一个全新的高速逻辑设计视图。连接附近的每个结构部件的物理及电气特性对于保证合适的信号以合适的时序在Vih和Vil之间传输这样看起来简单的任务起着至关重要的作用。这些特性也决定着系统会将多少能量辐射至空气中,并可以此判断该系统是否符合官方的辐射要求。在以后几章中我们将看到如何计算这些。当一个导体必须被看作为一个分布式的电感和电容时,它就被称为是一:..个传输线。通常情况下,要根据如何满足感兴趣信号的最高频率所要求的波长来决定电路的物理尺寸大小。在数字设计领域,由于边沿速率决定着所含信号的最大频率,你可以比较信号上升沿及下降沿时间与电路板大小的关系,如同图2所示。在一个典型的电路板上,信号以光速的一半的速度传输(确切的公式会在后续章节中介绍)。因此一个500皮秒的边沿速率占据的电路板的边缘长度大约3英寸。通常情况下,任何长为边沿速率1/10的电路必须当作一条传输线来考虑。高速设计中一个最困难的方面事实上是有很多相互影响的变量影响着数字设计的输出。有一些变量是可控制的而有一些是具有随机性的。高速设计的难点之一是如何处理许多变数,无论它们是可控的还是不可控的。通常情况下,可以通过忽略或假定变量的值使问题得到简化,但这些忽略或假定有可能会在以后导致找不到根本原因的失败。由于时序变得更加严格,对于现代设计者来说过去能做的简化会变得越来越少。本书将会描述如何使大量的会导致不可追踪的问题的变量协同工作。如果没有处理大量变数的方法,无论设计者实际有多懂系统,一个设计最终都会成为凭臆测而进行的工作。处理所有变数的最后一步常是最难而且最易被设计者忽视的一部分。因不具备处理大量变数的能力,设计者最终将采取校对一些解决点并且希望这些能代替所有已知的条件。虽然有时这些方法是不可避免的,但这将成为危险的猜测游戏。当然,在设计中一定的猜测是存在的,但系统设计师的目标是使不确定因素最小化。,Intel公司的奠基人,曾预测计算机的性能将会每18个月翻一番。历史证实了这一有洞察力的预测。显著地,计算机的性能大约每1年半会翻一番,并且其价钱在大幅度下降。与处理器性能相关的度量是其内部时钟速率。图3通过几个处理器的内部时钟速率展示了处理器的历史。到本书出版时为止,本章中即使是最快的处理器都会:..变得使人不以为然。这是因为计算机速度是按指速规律增长的。随着核心频率的增加,会需要更快的总线数据速率,因为总线要为处理器提供数据。如图4所示,这导致了连接件的变化时间应按指数规律减小。时间减少意味着适当地考虑任何会导致到达接收机的数字波形的不确定性变得更重要。这是导致数字设计越来越困难的两个障碍的根本原因。第一个障碍很简单,即在一个数字设计中需要考虑的变数的绝对数量会增加。当频率增加时,新的,在较低的速率时可以被忽视的效应,会开始变得明显。通常来讲,系统设计的复杂性随着变量数量的增加按指数规律增长。第二个障碍是在过去设计中可以被忽视的效应,必须以非常高的精度来建模。通常这些模型在本质是三维的,或者需要非常专业的模拟技术,这已超出了数字设计师的学科范围。障碍可能对于处理器的外围器件更加意义深远,因为它们发展得很慢,但仍需要支持不断发展的处理器的越来越多需求。上述的问题导致了目前的现状:需要解决新的问题。能够解决这些问题的工程师才能够定义未来DSP技术的发展。本书将致力于使读者掌握实际中进行现代高速数字设计必须掌握的技能及足够的理论,这些知识会帮助读者解决作者可能还没有遇到过的问题。