信號帶寬是什麼?

2021-01-08 EDN電子設計技術

「帶寬」這個術語在許多情況下已被濫用。我記得在一次會議上，這個詞被用來指：特定信號的頻率組成、特定電路的頻率響應、區域網的速度，甚至組織的人數。「我們現在沒有足夠的帶寬來處理這些工作。」也許沒人注意到這些，但我發現它很有意思。f53ednc

信號帶寬

工程師會問「這個信號需要多少帶寬？」通常，這一問題涉及確保信號可以通過一個組件或系統傳輸、並在信號質量沒有降低的情況下傳輸到另一端。f53ednc

圖1顯示了信號通過帶寬有限的系統的情況。如圖所示，系統有足夠的帶寬來傳遞信號且保持不變，這通常是期望的結果。當然，如果信號的頻率組成超過系統的帶寬，則輸出信號質量可能顯著降低。f53ednc

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圖1：儘管系統帶寬有限（低通濾波器），但足夠傳輸信號而不失真。f53ednc

如果我們談論的是基本的正弦波形，「帶寬是多少？」這一問題的答案可能顯而易見：1GHz正弦波需要至少1GHz的系統帶寬才能有效傳輸。如果我們使用-3dB點來描述系統帶寬，響應將在該頻率下衰減。例如，如果我使用1GHz示波器查看1GHz正弦波，所顯示的波形幅度可能是實際值的70％（-3dB），具體取決於示波器帶寬的裕量。f53ednc

數位訊號甚至更具挑戰性，因為它們包含與波形的快速上升邊緣相關的高頻成分。Eric Bogatin在《Rule of Thumb #1:Bandwidth of a signal from its rise time》中解釋了信號的上升時間與其帶寬之間的關係。簡單地說：f53ednc

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其中tr是上升時間(10%，90%)，f3dB是3dB帶寬。f53ednc

這個等式對於具有單極低通響應的系統（想想「低通RC電路」）來說是精確的，對於許多性能良好的系統來說也是相當接近的。我最近發現了一篇Tektronix的老文章，討論了垂直放大器響應和上升時間。文章展示了這兩個階躍響應圖，一個是理想化的「高斯響應」，另一個是典型的低通RC電路（見圖2）。f53ednc

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圖2：高斯階躍響應和低通RC電路階躍響應。f53ednc

我發現相關的評論很有意思，因為它們描述了上升時間和過衝（overshoot）之間的設計權衡。（因子K對應於上式中的0.35）：f53ednc

真正的高斯響應解析為tr•bw=0.32。由於幾個因素的影響，示波器放大器不能滿足真正的高斯響應要求。因此，「高斯」電路基本上是接近高斯的。通過多年研究得出的經驗乘積定義了這些「高斯」電路。對於更高的高斯響應，tr•bw=0.35~0.45。較高的乘積表明上升時間縮短。但是，上升時間減少也伴隨有過衝發生。0.45的乘積會導致5％的過衝，當tr•bw=0.35時，階躍響應中的過衝很小（如果有的話）。Tektronix通常將乘積設置在K=0.35，犧牲上升時間以實現最小過衝。f53ednc

K是品質因數，有時也稱為上升時間帶寬積（RTBP）。近年來，隨著示波器製造商將可用帶寬的上限推向新高，有時可以實現儀器響應的更陡滾降，而RTBP也發生了相應的變化。例如，Keysight UXR 110GHz示波器使用0.44的因數來指定10％/90％的上升時間。f53ednc

回到正弦波

看完這一數字示例後，我一直在思考簡單的正弦波。上升時間最適用於階躍函數或方波，但它也可以應用於正弦波（雖然我承認它有點牽強）。考慮一個幅度為1、峰峰值幅度為2的正弦波（圖3）。f53ednc

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圖3：在此示例中，正弦波的上升時間是峰峰值幅度的10％到90％之間的時間。f53ednc

我們來計算波形從負峰值的90％變為正峰值的90％所需的「上升時間」。如圖所示，該上升時間為t2–t1。由于波形的對稱性，可以看到：f53ednc

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這看起來不是那麼有趣。相同的值0.35顯示出正弦波頻率和上升時間之間的關係。仔細觀察會發現它略有不同：單極點情況下是0.356而不是0.350。0.35這一數字似乎有些特別，但還沒達到普適常數（例如光速）的水平。f53ednc

（原文刊登於ASPENCORE旗下EDN英文網站，參考連結：What’s that signal’s bandwidth?）f53ednc

本文為《電子技術設計》2019年4月刊雜誌文章。f53ednc

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