6/04/2025，光纖在線訊，引入諸如 PCI Express^®（PCIe^®）和USB等高速數(shù)字傳輸技術(shù)，極大地提升了通信速度和數(shù)據(jù)處理性能。這些技術(shù)在人工智能計算、汽車以及無線和光網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，包括實時數(shù)據(jù)分析和預(yù)測。

      高速數(shù)字傳輸依賴于高頻印刷電路板、人工智能芯片和專用集成電路（ASIC）等半導(dǎo)體元件、光電線路以及連接器的支持。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，隨著數(shù)字信號頻率的增加，信號更容易出現(xiàn)劣化，這主要是由于傳輸線路材料的高頻損耗特性等因素所致。此外，抖動（指數(shù)字信號時序的波動）、串?dāng)_（相鄰信號或總線線路的信號泄漏）以及眼圖的惡化，可能會使高速數(shù)字系統(tǒng)難以確保足夠的工作裕度。因此，在設(shè)計高速數(shù)字電路時，有必要驗證諸如阻抗和 S 參數(shù)等頻率特性，以及電路的損耗特性，以防止數(shù)字信號質(zhì)量下降。為此，可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）。

數(shù)字信號的頻率分量
      一般來說，數(shù)字信號以方（矩形）波的形式表示。如圖 1 所示，一個理想的方波可以通過將無限數(shù)量的頻率分量，如三次諧波和五次諧波等，疊加在基波之上來表示。這些諧波對于適應(yīng)方波的快速變化是必要的。因此，在評估數(shù)字信號的頻率特性時，工程師需要同時考慮那些高頻諧波以及基波頻率。

    
圖1 數(shù)字信號的頻率分量
 如何選擇合適的測量帶寬
      諧波是數(shù)字信號（如方波）的頻率分量，會無限延續(xù)。因此，在無限的頻率范圍內(nèi)對它們進(jìn)行評估是不現(xiàn)實的。即使是在有限的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行評估，能夠處理高速數(shù)字信號的7次或9次諧波的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀也數(shù)量有限。所以，在實際的數(shù)字信號中，我們處理的是那些頻率約為基波頻率3到5倍的諧波。

      接下來，本文將以NRZ和PAM4調(diào)制格式為例，介紹合適的測量頻率帶寬。表 1 列出了與確定測量帶寬相關(guān)的技術(shù)術(shù)語。

 
表1 技術(shù)術(shù)語

      
圖2 符號速率與奈奎斯特頻率之間的關(guān)系（NRZ, 100 Gbps/100 Gbaud）
      需解釋數(shù)字信號的符號速率的一半就是奈奎斯特頻率。圖 2 中所示的NRZ信號是在一定時間（T）內(nèi)保持?jǐn)?shù)值 1 或 0 的信號。一個符號代表一個比特。這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率和符號速率的值相同。在符號速率為 100 Gbaud的例子中，符號以 f = 100 GHz的頻率發(fā)送。在這里，發(fā)送符號的時間間隔 T 是 f 的倒數(shù)，即 T = 1/f。由于兩個符號發(fā)生變化需要時間，其最小周期為 2T。這個周期的倒數(shù)就是符號變化所需的頻率，即 1/2T = 50 GHz。這個 50 GHz頻率就是NRZ信號的最低頻率分量，也就是基波頻率或奈奎斯特頻率。換句話說，符號速率的一半就是奈奎斯特頻率。請注意，在采樣定理中，奈奎斯特頻率被定義為能夠準(zhǔn)確恢復(fù)原始信號的最高頻率。

      
表2 NRZ與PAM4的比較
      PAM4信號每個符號表示 2 比特。PAM4 以四種不同的狀態(tài)傳輸數(shù)據(jù)，例如從 0 到 2 或從 3 到 1，在相同的帶寬內(nèi)使數(shù)據(jù)速率翻倍。因此，PAM4 數(shù)據(jù)速率的一半就是符號速率。例如，如果 PAM4 數(shù)據(jù)速率為 200 Gbps，符號速率就是 100 Gbaud，奈奎斯特頻率則為 50 GHz。
 
      
圖3 包含高達(dá)3次諧波的VNA測量帶寬 (PAM4, 200 Gbps)
      因此，要評估數(shù)據(jù)速率為 100 Gbps 的NRZ信號以及數(shù)據(jù)速率為 200 Gbps 的PAM4信號（包括三次諧波）的頻率特性，必須使用三倍奈奎斯特頻率的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，即測量頻率帶寬為 150 GHz 或更高的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

      由此可知，在評估高速數(shù)字電路的頻率特性時，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量頻率帶寬應(yīng)參考數(shù)字信號的奈奎斯特頻率來設(shè)置。

寬帶特性評估
      對 100 GHz以上頻段特性的評估是超高速數(shù)字設(shè)備相關(guān)研發(fā)工作的關(guān)鍵。然而，使用傳統(tǒng)基于波導(dǎo)的毫米波擴(kuò)展模塊的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)存在一些問題，比如需要更換物理模塊以及隨之而來的重新校準(zhǔn)，還有頻段之間出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不連續(xù)性（階梯狀變化）。

      安立公司的 VectorStar ME7838 系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及測試解決方案能夠在單次掃描中覆蓋從 70 kHz到 220 GHz頻段，消除了繁瑣的任務(wù)并能獲取具有連續(xù)性的精確 S 參數(shù)。這極大地縮短了研發(fā)周期。

      
   
圖4 寬帶頻率響應(yīng)的評估
寬帶頻率響應(yīng)驗證方案

      安立公司的寬帶矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 VectorStar ME7838 系列覆蓋 70 kHz至 220 GHz的頻率范圍。將 220 GHz毫米波模塊 MA25400A 連接到 MPI 探針尖端，用戶能夠通過單次掃描來評估寬帶頻率響應(yīng)。此外，它還能在毫米波段將測量范圍擴(kuò)展至高達(dá) 1.1 THz。

      
關(guān)于安立
      安立公司是一家擁有120多年歷史的創(chuàng)新通信解決方案供應(yīng)商。公司的測試和測量解決方案包括無線、光通信、微波/射頻和數(shù)字儀器，支持了系統(tǒng)以及研發(fā)、制造、安裝和維護(hù)的解決方案。安立還為通信產(chǎn)品和系統(tǒng)提供精密微波/射頻元件、光器件和高速器件。安立通過增加用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和優(yōu)化的多維服務(wù)保證解決方案為現(xiàn)有和下一代有線和無線通信系統(tǒng)以及服務(wù)供應(yīng)商提供完整的解決方案。安立業(yè)務(wù)遍布 90 多個國家，擁有約4,000名員工。