字节、比特、频率和升压时间

客户时常问我，某个连接器是否适用于特定的电子信号。如今，一切的速度都很快，尤其是数据传输率。任何速度大于 1 Gbps 的传输都采用差分对方式，以摆脱公共信号接地和随后的地面反弹，后者会降低数字信号的“可读性”。这一点在盒内板间以及盒外线缆连接盒到盒都是如此。对于差分对技术，我们必须考虑两件事。

首先，我们需要了解如何在连接器上设置插脚。如果我们采用背板连接器，如 Impact™ 或 Impel™，用于 6 Gbps 以上、10 Gbps 甚至 25 Gbps 速度的传输，则无需考虑插脚。连接器设计者与信号完整性权威合作，已经考虑到将传输线装入这些连接器的最佳方式。

当我们采用当下传输速度介于 6 Gbps 至 14 Gbps 之间，未来（短距离）传输速度有望达到 25 Gbps 的 I/O 连接器（如 SFP+、QSFP+ 或 iPass+™ HD）时也是如此。当这些连接器中的一台处于速度极限时，当传输链路越来越长时，当串扰或共模转换的限制变得至关重要时，症结就得以显露。

如果传输速度较低或传输 LVDS（低压差分信号），我们可以使用无专设插脚的标准连接器，不过这值得另写一篇博客详加探讨！

其次，我们需要了解数字信号是什么，它是如何组成的，以及标准有哪些，从而充分理解传输线内连接带来的影响。

让我们回归基本——香农和傅里叶理论。香农定理认为，能够实现的最大数据传输速率是把 2 比特打包成一个完整的正弦波。这也与数字 NRZ（不归零制）编码有关。也有其他半模拟编码方案，如 PAM4，它必须从信号中读取四个不同的电压等级，不过这对今天的主题而言太过深奥了。只需知道 RJ-45 上的 10 千兆以太网传输是这样工作的即可。

我们继续关注 NRZ，探索一下为什么数字人喜欢方波信号：方波信号在相对较长的时段内显示一个清晰的“1”或“0”，比特之间的变化很快，用时很短。这在远距离并行传输许多数字信号时具有优势。即使并行的数字链路存在延迟差异（即一条比另一条传播得快），您也能有一个长时间窗口来读取信息。当 PC 诞生时，这种技术被用于并行打印机端口，这也是打印机电缆长度有限的原因。人们享受带宽（数据速率乘以并行链路），但必须使用单线串行传输，以更低的带宽达到更长的距离。

如今，我们使用 8B/10B 的并行串行传输来克服延迟变化的问题。64B/66B 编码分别将传输数据量减少 20% 和 5%，但允许您识别属于一个字节的正确的单个比特，即使它们在不同的时间出现。

回到 NRZ：方波是如何产生的？

要理解这一点，我们得问问约瑟夫·傅里叶 (Joseph Fourier)。他是一位伟大的数学家，曾在 19 世纪证明了任何信号曲线都是许多不同频率、不同振幅的正弦波叠加的函数。所以，方波是基频与三次谐波、五次谐波、七次谐波等的叠加。仔细审视可以发现，它是基频加上三次谐波的三分之一振幅，五次谐波的五分之一振幅，七次谐波的七分之一振幅——它们都是同步的。

可以得出结论，较高的奇次谐波对形成方波的影响较小，但让我们仔细看看，以正弦波的 1/100 阶跃创建 Excel 工作表并生成图形：

我们认识到叠加的“1”信号总是在基频幅值的 0.8（或 80%）上下。我们在叠加信号中加入的奇次谐波越多，方波打开的宽度就越大，然而，我们也看到信号在零线处呈现陡峭上升。当信号通过连接器时，这一上升是最关键的项。原因在于连接器和通孔是信号路径的中断，快速上升会对相邻信号产生更多的串扰。

如果添加更多的高频奇次谐波，我们就需要信号路径（印刷线路板走线、通孔和连接器）能够传输这些高频。 为了保持全面高效，我们限制自己只看五次谐波。它使信号的形状足够接近于方波，并放宽了对传输线的要求。

例如，一条 10 Gbps 传输线的时钟频率（根据香农定理在 NRZ 中）为 5GHz，三次谐波为 15GHz，五次谐波为 25GHz。因此，一台 10 Gbps 背板连接器应该能以很小的波幅（基频信号水平的五分之一）传输 25GHz。

传输线的带宽应当允许 25GHz 通过。
升压时间将是基频、三次谐波和五次谐波的叠加。

在文献中经常可以发现一个公式：

升压时间（纳秒）= 0.35/带宽（GHz）
或者
带宽（GHz）= 0.35/升压时间（纳秒）

它计算了五次谐波 25GHz 信号在 14 皮秒的升压时间！

这就说明前文的带宽升压时间公式不精确，但足够接近。

遗憾的是，人们倾向于使用 20/80 数值，因为它们看起来更好，但也离傅里叶分析的现实更远。

为什么升压时间这么重要？ 因为数字世界为我们提供了调整应用升压时间的工具。升压时间就像药房——大多数时候，供大于需都不是好事！

因此，如果您可以调整 FPGA 中的升压时间（或者可以选择升压时间不同的芯片），请衡量您的需求。当高速通道上有颠簸（传输链路中的阻抗不连续）时，较慢的升压时间可以减少串扰。

连接器行业帮您掌握 S 参数，该参数应在频率上达到包含数据传输率的五次谐波。应当完成连接器的 TDR 数据并用其对比系统中的实际升压时间。如若通过缩短升压时间来扩大系统，您可能需要额外支付符合升压时间需求的连接器，但当系统采用平滑设计时，这是不必要的。

最近，有一位客户问我，为什么在为 0.635mm 间距的两排 SlimStack™ 连接器将 G S+ G S- G S+ G S- G 结构重新计算为 G S+ S- G S+ S- G 结构时，采用 128Ω 阻抗而非 139Ω 阻抗（见下文）。我这样做是有目的的，因为客户必须处理一个“只有”480 Mbps 的 USB 信号，它的载波是 240MHz，五次谐波为 1.2GHz。
升压时间计算结果显示，0.35 除以 1.2GHz 等于 0.291 纳秒，即 291 皮秒。如果它不在客户的系统中，我何必考虑 50 皮秒的升压时间？