数据速率与带宽：有什么区别？

数据速率和带宽有时被交替使用，这主要归功于广告公司和媒体，他们将模拟电路设计中的一个重要技术术语变成了一个流行词。现在，“带宽”一词的误用到了极点，以至于它不经意间获得了一个与ADC设计相关的意义。在PCB设计和电路设计中，带宽有时有一个明确的区别，这与数据速率无关，有时它指的是信号的某种质量及其与接收器的交互。

数据速率与带宽之间的区别模糊不清，这与您的PCB设计又有何关联呢？我们将在本文中更深入地探讨这个问题，以便我们能够为超高速通道定义信号完整性指标。这些关于信号完整性指标的相同观点也反映在最近的USB 4.0标准中，并将在新的高速信号标准中变得更加重要。

数据速率与带宽

数据速率正如其名，指的是通过通道或由组件在单位时间内传输的比特数。数据速率也可以用波特率来表示（例如，每秒传输的符号数），这使我们能够区分二进制和多级信号方案（见下文）。这很简单；对于2级（二进制）比特流（例如，NRZ），波特率等于比特率。对于4级信号（例如，PAM4），波特率是比特率的一半，因为每个单位间隔（UI）传输两个比特。

带宽通常被各种电子设计师用来指代以下一个或多个概念：

• -3 dB点。如果你在设计一个滤波器，这通常用来表示滤波器的传递函数（幅度）下降3 dB的频率。
• 组件可以接收/传输的频率范围。我通常看到其他研究人员在集成或系统设计工作中使用这一概念，其中需要匹配新的组件/系统以在特定频率范围内接收/传输。
• 信号的频率内容。宽带信号的频率内容可能会分布在一个很大的频率范围内，带宽定义了这个频谱的大小。
• 一个通道的工作频率范围。这是通道可以低损耗传输的频率范围。
• 通道的数据传输速率容量。这个定义是因为数据传输速率（实际上是波特率）和工作频率范围是相关的。它可以用来描述电信中的光纤链接、无线链接或铜链接，并不仅限于描述板级互连。

对于数字设计师来说，最后三点更为重要，因为这里需要明确带宽与数据速率之间的关系，对于PCB设计师来说很重要。这里有一个重要的区别，即信号带宽和通道带宽。这两者不是同一回事。通道带宽总是有限的，意味着通道只能可靠地传输到某个值的频率。

从上表中，我们应该看到信道总是有限的带宽，而你的信号可能有无限的带宽（数字信号）。这里信道带宽和信号带宽在我们进行高速数字设计时汇聚在一起。关于高速数字系统设计需要知道的重要一点是：

对于数字信号，带宽是无限的。有时候会说数字信号必须有有限的带宽，但这是不正确的，而且可以使用傅里叶级数的定义来证明梯形波的带宽是无限的。这种混淆的原因来自于这样一个观点：源自完美数字信号需要无限的功率。然而，这并不意味着一个真实的数字信号必须有有限的带宽，仅仅因为它包含的功率是有限的。

对于模拟信号，我们有时不关心信号带宽，除非我们使用带有载波信号的调制（例如，以太网），或者我们在处理脉冲（如在激光雷达中）或啁啾波形（如在FMCW雷达中）。模拟信号的带宽相当小，可以直接在频谱分析仪的迹线上看到，或者通过对时间域测量应用FFT来计算。你通常可以将带宽定义为被你的示波器迹线中的噪声底限截断的频率范围。对于数字频率的情况就没那么简单了。

什么是数字信号带宽

在这里，当我提到带宽时，我指的是构成数字信号的频率内容，或者信号带宽。在这里我再次想强调信号带宽和信道带宽之间的区别，通过声明高速PCB设计师应该专注于达到信道带宽目标；信号带宽总是无限的，所以它不可避免地并不重要。

如果我们想为互连定义一个通道带宽设计目标，比如用于非常高速链接的传输线，我们可以提出几种不同的定义：

• 第五谐波。这是数字信号带宽的一个常见但任意的截止点。我之所以说这是任意的，是因为你也可以使用任何其他大于第五谐波的奇数频率。这个定义表明带宽是波特率的2.5倍。
• 膝频。这个特定频率通常近似为0.5/t_上升。换句话说，它表示带宽通常与数据率无关，尽管更高的二进制数据率会有更短的上升时间。
• 奈奎斯特频率。假设接收器仅以等于波特率的速率对二进制数字信号进行采样，那么奈奎斯特频率将等于波特率的一半。

这些定义何时重要？我立即告诉你，第五谐波限制完全是任意的，没有数学上的正当性。其他两个定义取决于你使用的信号格式类型（方波与数字调制的模拟波）。

常规方波信号

尽管我看到数字设计师开始引用膝频作为某种信号带宽限制，但那从未是其初衷，且这并没有具体说明不同频率下功率谱中包含的能量。膝频是通过检查RC电路对输入方波的响应得出的。之所以这样做，是因为在最简单的意义上，数字接收器中的输入接口可以被建模为一个RC电路，我们可以将上升时间与到达信号中包含的某些带宽相关联。

在这个上下文中，膝频仅告诉你需要到达接收器的信号带宽。如果我们允许存在电感，数字接收器就是2极低通滤波器，最小通道带宽是根据上升时间假设接收器的响应是临界阻尼来推导的。通道带宽是在测量接收器对方波输入的响应是否允许其电容在某个时间窗口内充电到所需的逻辑电平。如果通道带宽不足，那么上升时间可能太慢，因此理论上接收器可能无法在所需的时间窗口内读取输入逻辑信号。

然而，当用方波激励时，电容式数字接收器的实际工作方式并非如此。例如，I2C和SPI并没有严格的上升时间下限，在实际组件中，你可能会看到一系列不同的可接受值。关注接口正常运作所需的内容，以确定允许的最小上升时间，以确保锁定到逻辑信号，然后使用该信息来确定所需的最小带宽。在大多数实际情况下，如果传输线设计正确，速率高达几Gbps，你的通道将为这些信号提供足够的带宽。

如何计算调制信号所需的最小通道带宽

如果你在设计一个通道，以确保它可以传递数字调制信号，你如何确保通道提供足够的带宽，以便接收器可以读取数字信号？这需要知道最小的带宽量，这将是某个-3 dB频率（或称为膝频率），或者是Nyquist频率。这里有一个重要的观点：

其他两个定义对这些类型的信号来说是不相关的。最常见的使用这种通道设计的实例是以太网，它使用脉冲幅度调制（PAM）星座图。例如，100Base-T4使用PAM-3，而1000Base-T使用PAM-5，10GBase-T使用Tomlinson-Harashima预编码的PAM-16。

要确定一个通道传输给定调制比特流的最小带宽，其中数字数据率为D，我们可以使用下面概述的奈奎斯特定理：

为了了解这是如何工作的，我们将看看在非常高速串行链路（56 Gbps及以上）中使用的常见信号格式：

对于RZ/NRZ和PAM-4的最小通道带宽

如今，最快的差分串行链路正在使用三种可能的数据格式，与脉冲幅度调制：

• 归零（RZ）
• 不归零（NRZ）
• 4级脉冲幅度调制（PAM-4）

RZ和NRZ每个单位间隔使用2个信号级别，而PAM-4使用4个级别。我们可以继续扩展到更高的信号级别数，例如下面展示的PAM-8通道。请注意，PAM-8在最快的串行通道中还未使用，它仅作为一个例子展示，但谁知道将来会不会改变。

对于这些调制的多级信号，奈奎斯特频率是最小通道带宽的唯一相关设计目标。这里，带宽（等于奈奎斯特频率）可以定义为：

其中N是每波特的信号级别数，D是比特率。这在概念上与奈奎斯特准则为ADC定义的相匹配，其中采样率与波特率相匹配。要点是：仅仅因为我们说一个通道的带宽是X GHz，并不意味着数据率限于2X GHz；信号标准也很重要。

一旦您理解了数据速率与带宽之间的区别，就可以使用Altium Designer中的PCB设计和布局工具来创建符合标准的互连。您将拥有一整套用于高速阻抗控制设计的布线和布局功能。

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