INTEGRIDAD DE SEÑAL DIGITAL

La integridad de señal digital se puede definir en forma general como el estudio de la distorsión del pulso. Comúnmente las señales digitales son medidas empleando osciloscopios; sin embargo, estas señales digitales actualmente tienen tasas de transferencia de Gigabits por segundo (Gbps) lo que hace que el osciloscopio sea insuficiente para analizarlas. Este incremento en la velocidad de comunicación hace que los diseñadores de sistemas digitales deban resolver los problemas de señales analógicas para obtener mediciones de SWR (relación de onda estacionaria), pérdidas por inserción, relaciones entre el ancho de las pistas de los PCBs y los tiempos de retraso en la señales que transportan, es decir, parámetros que permitan evaluar la fidelidad de un pulso.[5.1], [5.2], [5.3], [5.4], [5.5], [5.6]

5.1.1 Causas comunes de distorsión de pulsos.

5.1.1.1Dispersión

Del análisis de Fourier de una señal digital sabemos que está formada por la suma de varias señales senoidales. Mientras más componentes senoidales se sumen la señal pasara de tener una forma senoidal a cuadrada como se observa en la Figura 5.2. Las frecuencias altas de la señal determinan el tiempo del voltaje de riso de la señal y el tiempo en que la señal pasa de 0 a 1 y de 1 a 0, mientras que las de baja frecuencia determinan el ancho del pulso.

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Sin embargo no todas las componentes de frecuencia se propagan a la misma velocidad en el PCB, debido a sus diferentes velocidades de propagación, por lo que esta diferencia de velocidades provoca distorsión del pulso digital.

5.1.1.2. Atenuación/Pérdidas (Reducción del nivel de señal).

Los PCBs que se emplean actualmente tienen pérdidas debidas a la resistencia del cobre, el efecto pelicular, así como las pérdidas debidas al dieléctrico. Estas pérdidas pueden disminuir el nivel en la que una señal debe ser considerada como 1 a 0. Se sabe que pistas muy largas al utilizarse para transmitir señales digitales de altas frecuencias provocaran atenuación considerable de la señal. En la Figura 5.3 se muestra la atenuación que se presenta en una tarjeta de computadora cuando se incrementa la frecuencia [5.1].

Figura 5. 3. Pérdidas en una pista de una PC [5.1].

Debido al empleo de sustratos a base FR4 en la construcción de PCBs, se emplea una tecnología de preénfasis en los pulsos digitales para evitar la distorsión de señal causada por atenuación como se muestra en la Figura 5.4. Esta tecnología de preénfasis sirve para evitar distorsiones predecibles, como la atenuación, sin embargo no es aplicable para distorsiones no predecibles como el ruido, crosstalk.

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Figura 5. 4. Señal Digital con preénfasis [5.1].

5.1.1.3. Relación de Onda Estacionaria (SWR)

Este concepto estaba orientado principalmente a diseñadores de antenas; sin embargo toda fuente de alta frecuencia (Salida de Circuito Integrado), medio de conexión (Pista de un PCB), o una carga (Entrada de Circuito Integrado) tiene una impedancia asociada para la máxima transferencia de energía. Los circuitos lógicos no dependen de la máxima trasferencia de potencia, sin embargo, si la transferencia de potencia no es transmitida, la porción que no se transmite se refleja a la fuente causando ondas estacionarias. El resultado de estas ondas estacionarias es un rizo en la parte superior del pulso que puede causar falsos disparos como se muestra en la Figura 5.5. Para evitar ondas estacionarias cuando se diseñan PCBs es conveniente que las salidas de los circuitos lógicos estén lo más cercano a las entradas que se dirigen.

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5.1.1.4. Insuficiente ancho de banda.

Cuando una señal digital se hace pasar por un medio con un ancho de banda limitado, los componentes de frecuencia de la señal se reducen ocasionando rizo en la señal. Si este rizo tiene suficiente amplitud es posible que ocasione falsos disparos. Figura 5.5.

5.1.1.5. Sobreimpulso positivo y negativo.

Los sobreimpulsos positivos y negativos se producen por un efecto capacitivo del circuito o de los instrumentos de medición y dan lugar a una tensión que sobrepasa los niveles alto y bajo normales, durante un tiempo muy corto, en los flancos de subida o bajada como se muestra en la Figura 5.6.

Figura 5. 6. Sobreimpulso de una señal digital. [5.5]

5.1.1.6. Jitter.

El Jitter corresponde básicamente a una desviación de fase respecto de la posición ideal en el tiempo de una señal digital que se propaga en un canal de transmisión. El Jitter es un efecto completamente indeseable en cualquier sistema de comunicaciones y por ende introduce una serie de problemas al canal, que de no ser tratado adecuadamente puede degradar completamente la calidad y desempeño del enlace. El Jitter puede causar errores en la recepción de bits (BER), ya que si no es controlado confundirá al receptor y éste no podrá recobrar el reloj de sincronismo en el extremo receptor, además puede producir interferencia intersimbólica (ISI), entre los pulsos

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que se propagan por el canal, ya que el jitter producirá un desplazamiento de las señales que componen el pulso y por ende se mezclarán, imposibilitando de esta manera el reconocimiento de los niveles respectivos de la señal en el receptor. Dicho efecto puede ser observado en la Figura 5.7 que muestra un diagrama de ojo cerrado completamente por el efecto del Jitter. El receptor se verá imposibilitado para recobrar el reloj de sincronismo y por ende para recibir adecuadamente la señal transmitida.

Figura 5. 7. Diagrama de ojo con Jitter [5.6]. 5.1.1.7. Crosstalk

El crosstalk es un acoplamiento electromagnético que se da entre dos líneas de transmisión adyacentes debido a las capacitancias e inductancias mutuas, Figura 5.8, lo que puede originar falsos disparos en pistas víctimas.

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