數(shù)字信號的抖動(Jitter)

抖動的概念

抖動(Jitter)是數(shù)字信號，尤其是高速數(shù)字信號的一個非常關(guān)鍵的概念。如圖1.40所 示，抖動反映的是數(shù)字信號偏離其理想位置的時間偏差。

高頻數(shù)字信號的比特周期都非常短，一般為幾百ps甚至幾十ps,很小的抖動都會造成信號采樣位置的變化從而造成數(shù)據(jù)誤判，所以高頻數(shù)字信號對于抖動都有嚴(yán)格的要求。抖動這個概念說起來簡單，但實(shí)際上仔細(xì)研究起來是非常復(fù)雜的，關(guān)于其概念的理解有以下幾個需要注意的方面：
數(shù)字通信的帶寬表征為：bit的傳輸速率；中國香港自動化數(shù)字信號測試

什么是數(shù)字信號(DigitalSignal)

典型的數(shù)字設(shè)備是由很多電路組成來實(shí)現(xiàn)一定的功能的，系統(tǒng)中的各個部分主要通過數(shù)字信號的傳輸來進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的交互。

數(shù)字信號通過其0、1的邏輯狀態(tài)的變化來一定的含義，典型的數(shù)字信號用兩個不同的信號電平來分別邏輯0和邏輯1的狀態(tài)(有些更復(fù)雜的數(shù)字電路會采用多個信號電平實(shí)現(xiàn)更多信息的傳輸)。真實(shí)的世界中并不存在理想的邏輯0、1狀態(tài)，所以真實(shí)情況下只是用一定的信號電平的電壓范圍來相應(yīng)的邏輯狀態(tài)。比如圖1.1中，當(dāng)信號的電壓低于判決閾值(中間的虛線部分)的下限時邏輯0狀態(tài)，當(dāng)信號的電壓高于判決閾值的上限時邏輯1狀態(tài)。 中國香港自動化數(shù)字信號測試數(shù)字信號的波形分析（Waveform Analysis）;

數(shù)字信號的上升時間(Rising Time)

任何一個真實(shí)的數(shù)字信號在由一個邏輯電平狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到另一個邏輯電平狀態(tài)時,其中間的過渡時間都不會是無限短的。信號電平跳變的過渡時間越短，說明信號邊沿越陡。我們通常使用上升時間(RisingTime)這個參數(shù)來衡量信號邊沿的陡緩程度，通常上升時間是指數(shù)字信號由幅度的10%增加到幅度的90%所花的時間(也有些場合會使用20%～80%的上升時間或其他標(biāo)準(zhǔn))。上升時間越短，說明信號越陡峭。大部分?jǐn)?shù)字信號的下降時間(信號從幅度的90%下降到幅度的10%所花的時間)和上升時間差不多(也有例外)。圖1.2比較了兩種不同上升時間的數(shù)字信號。上升時間可以客觀反映信號邊沿的陡緩程度，而且由于計算和測量簡單，所以得到的應(yīng)用。對有些非常高速的串行數(shù)字信號，如PCIe、USB3.0、100G以太網(wǎng)等信號，由于信號速率很高，傳輸線對信號的損耗很大，信號波形中很難找到穩(wěn)定的幅度10%和90%的位置，所以有時也會用幅度20%～80%的上升時間來衡量信號的陡緩程度。通常速率越高的信號其上升時間也會更陡一些(但不一定速率低的信號上升時間一定就緩),上升時間是數(shù)字信號分析中的一個非常重要的概念，后面我們會反復(fù)提及和用到這個概念。

由于真正的預(yù)加重電路在實(shí)現(xiàn)時需要有相應(yīng)的放大電路來增加跳變比特的幅度，電路  比較復(fù)雜而且增加系統(tǒng)功耗，所以在實(shí)際應(yīng)用時更多采用去加重的方式。去加重技術(shù)不是  增大跳變比特的幅度，而是減小非跳變比特的幅度，從而得到和預(yù)加重類似的信號波形。 圖 1.29是對一個10Gbps的信號進(jìn)行-3.5dB的去加重后對頻譜的影響?？梢钥吹?，去加  重主要是通過壓縮信號的直流和低頻分量(長0 或者長 1  的比特流),從而改善其在傳輸過  程中可 能造成的對短0或者短1 比特的影響。數(shù)字信號處理技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前在很多領(lǐng)域都有著寬敞的應(yīng)用。

數(shù)字信號的帶寬(Bandwidth)

在進(jìn)行數(shù)字信號的分析和測試時，了解我們要分析的數(shù)字信號的帶寬是很重要的一點(diǎn)，它決定了我們進(jìn)行電路設(shè)計時對PCB走線和傳輸介質(zhì)傳輸帶寬的要求，也決定了測試對儀表的要求。

數(shù)字信號的帶寬可以大概理解為數(shù)字信號的能量在頻域的一個分布范圍，由于數(shù)字信號不是正弦波，有很多高次諧波成分，所以其在頻域的能量分布是一個比較復(fù)雜的問題。

傳統(tǒng)上做數(shù)字電路設(shè)計的工程師習(xí)慣根據(jù)信號的5次諧波來估算帶寬，比如如果信號的數(shù)據(jù)速率是100Mbps,其快的0101的跳變波形相當(dāng)于50MHz的方波時鐘，這個方波時鐘的5次諧波成分是250MHz,因此信號的帶寬大概就在250MHz以內(nèi)。這種方法看起來很合理，因?yàn)?次諧波對于重建信號的基本波形形狀是非常重要的，但這種方法對于需要進(jìn)行精確波形參數(shù)測量的場合來說就不太準(zhǔn)確了。比如同樣是50MHz 的信號，如果上升沿很陡接近理想方波，其高次諧波能量就比較大；而如果上升沿很緩接近 正弦波，其高次諧波能量就很小。
幅度測量是數(shù)字信號常用的測量，也是很多其他參數(shù)側(cè)魯昂的基礎(chǔ)。中國香港自動化數(shù)字信號測試

上升時間是數(shù)字信號另一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，它反映了一個數(shù)字信號在電平切換時邊沿變化的快慢。中國香港自動化數(shù)字信號測試

偽隨機(jī)碼型(PRBS)

在進(jìn)行數(shù)字接口的測試時，有時會用到一些特定的測試碼型。比如我們在進(jìn)行信號質(zhì)量測試時，如果被測件發(fā)送的只是一些規(guī)律跳變的碼型，可能不了真實(shí)通信時的惡劣情況，所以測試時我們會希望被測件發(fā)出的數(shù)據(jù)盡可能地隨機(jī)以惡劣的情況。同時，因?yàn)檫@種數(shù)據(jù)流很多時候只是為了測試使用的，用戶的被測件在正常工作時還是要根據(jù)特定的協(xié)議發(fā)送真實(shí)的數(shù)據(jù)流，因此產(chǎn)生這種隨機(jī)數(shù)據(jù)碼流的電路比較好盡可能簡單，不要額外占用太多的硬件資源。那么怎么用簡單的方法產(chǎn)生盡可能隨機(jī)一些的數(shù)據(jù)流輸出呢?首先，因?yàn)檎嬲S機(jī)的碼流是很難用簡單的電路實(shí)現(xiàn)的，所以我們只需要生成盡可能隨機(jī)的碼流就可以了，其中常用的一種數(shù)據(jù)碼流是PRBS(PseudoRandomBinarySequence,偽隨機(jī)碼)碼流。PRBS碼的產(chǎn)生非常簡單，圖1.21是PRBS7的產(chǎn)生原理，只需要用到7個移位寄存器和簡單的異或門就可以實(shí)現(xiàn)。 中國香港自動化數(shù)字信號測試