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1.2 为什么时钟信号比数据信号更重要

从信号质量、串扰角度考虑,设计中需对时钟予以更多的关注。例如,晶振、时钟驱动器等元器件下方的PCB走线层,若不经地平面隔离,不能直接走其他信号线;DDRx SDRAM设计中,时钟信号与其他数据信号的间距,需特别拉大一些。

从EMC方面考虑,时钟是造成EMI的主要因素。

时钟和数据都可被视为波动的信号,为什么时钟受到的关注度要高于数据信号呢?

以下分析时钟和数据的差异。

1.速率表示方法不同

时钟的速率单位是赫兹(Hz),数据的速率单位是比特率(bps)。

一个1GHz周期频率的时钟,其基频能量位于1GHz处。但一个1Gbps的数据信号,其基频能量位于500MHz处。原因在于,对时钟而言,一次低电平和一次高电平,构成了一次有效的时钟周期;对数据而言,一次低电平就是一个有效的数据比特位,而紧跟着低电平之后的高电平,则是下一个有效的数据比特位,所以数据信号的比特率是基频的两倍。

数据信号的这个特性,在信号分析、信号测试中,必须予以考虑。

例如,测试5Gbps以上速率的信号时,一般示波器带宽需大于信号基频的3~5倍。PCIE 2.0(第二代PCI-Express接口)的数据速率为5Gbps,基频位于2.5GHz,则测试时,选择带宽在7.5GHz或12.5GHz以上的示波器即可,而不必选择带宽为15GHz或以上的示波器。根据PCIE标准规范,PCIE 2.0建议使用12GHz带宽的示波器进行测试。

2.能量在频域中的分布方式不同

图1.14对比了基频同为1MHz的时钟和数据信号,其中时钟频率为1MHz,数据信号速率为2Mbps(等效基频为1MHz)。两信号幅度相同。

图1.14 时钟信号和数据信号的频域、时域波形对比

从频谱对比图看,在频谱上,数据信号的能量较分散,而时钟信号的能量较集中,所以,从频谱峰值看,在基频和各个谐波处,时钟的能量峰值都显得更高,而数据信号由于能量被打散了,所以能量峰值比对应频点处的时钟能量低。

数据信号的能量在频谱图上的这种表现,其原因是数据信号并非周期性。图中显示的数据信号序列为“101111011011000”,各个高电平和低电平持续的时间并不相同,这导致在频谱上能量被分散。而时钟信号的序列为“10101010…”,各个高电平和低电平持续的时间近似相同,所以在频谱上能量更集中。

在时域幅度相同的前提下,频谱上能量越集中,则能量峰值越高,越容易造成信号串扰、EMI等问题。

这就是为什么在分析信号完整性、串扰、EMC等相关问题时,设计者需更为关注时钟信号的主要原因。 ezYu5HPcFcaTolmVd6kAZOZVNZoNh2zYuQQHwIWg3i0tDyHJrM0c6R+XAGC99NTz

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