數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng)(Jitter)

抖動(dòng)的概念

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

高頻數(shù)字信號(hào)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(dòng)都會(huì)造成信號(hào)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(hào)對(duì)于抖動(dòng)都有嚴(yán)格的要求。抖動(dòng)這個(gè)概念說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際上仔細(xì)研究起來(lái)是非常復(fù)雜的，關(guān)于其概念的理解有以下幾個(gè)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(guó)香港自動(dòng)化數(shù)字信號(hào)測(cè)試

什么是數(shù)字信號(hào)(DigitalSignal)

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

數(shù)字信號(hào)通過(guò)其0、1的邏輯狀態(tài)的變化來(lái)一定的含義，典型的數(shù)字信號(hào)用兩個(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)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(huì)采用多個(gè)信號(hào)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(hào)電平的電壓范圍來(lái)相應(yīng)的邏輯狀態(tài)。比如圖1.1中，當(dāng)信號(hào)的電壓低于判決閾值(中間的虛線部分)的下限時(shí)邏輯0狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)的電壓高于判決閾值的上限時(shí)邏輯1狀態(tài)。 中國(guó)香港自動(dòng)化數(shù)字信號(hào)測(cè)試數(shù)字信號(hào)的波形分析（Waveform Analysis）;

數(shù)字信號(hào)的上升時(shí)間(Rising Time)

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

由于真正的預(yù)加重電路在實(shí)現(xiàn)時(shí)需要有相應(yīng)的放大電路來(lái)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(shí)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(lèi)似的信號(hào)波形。 圖 1.29是對(duì)一個(gè)10Gbps的信號(hào)進(jìn)行-3.5dB的去加重后對(duì)頻譜的影響。可以看到，去加  重主要是通過(guò)壓縮信號(hào)的直流和低頻分量(長(zhǎng)0 或者長(zhǎng) 1  的比特流),從而改善其在傳輸過(guò)  程中可 能造成的對(duì)短0或者短1 比特的影響。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)經(jīng)過(guò)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(hào)的帶寬(Bandwidth)

在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的分析和測(cè)試時(shí)，了解我們要分析的數(shù)字信號(hào)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(jì)時(shí)對(duì)PCB走線和傳輸介質(zhì)傳輸帶寬的要求，也決定了測(cè)試對(duì)儀表的要求。

數(shù)字信號(hào)的帶寬可以大概理解為數(shù)字信號(hào)的能量在頻域的一個(gè)分布范圍，由于數(shù)字信號(hào)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(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。

傳統(tǒng)上做數(shù)字電路設(shè)計(jì)的工程師習(xí)慣根據(jù)信號(hào)的5次諧波來(lái)估算帶寬，比如如果信號(hào)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(shí)鐘，這個(gè)方波時(shí)鐘的5次諧波成分是250MHz,因此信號(hào)的帶寬大概就在250MHz以?xún)?nèi)。這種方法看起來(lái)很合理，因?yàn)?次諧波對(duì)于重建信號(hào)的基本波形形狀是非常重要的，但這種方法對(duì)于需要進(jìn)行精確波形參數(shù)測(cè)量的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)就不太準(zhǔn)確了。比如同樣是50MHz 的信號(hào)，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(cè)量是數(shù)字信號(hào)常用的測(cè)量，也是很多其他參數(shù)側(cè)魯昂的基礎(chǔ)。中國(guó)香港自動(dòng)化數(shù)字信號(hào)測(cè)試

上升時(shí)間是數(shù)字信號(hào)另一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，它反映了一個(gè)數(shù)字信號(hào)在電平切換時(shí)邊沿變化的快慢。中國(guó)香港自動(dòng)化數(shù)字信號(hào)測(cè)試

偽隨機(jī)碼型(PRBS)

在進(jìn)行數(shù)字接口的測(cè)試時(shí)，有時(shí)會(huì)用到一些特定的測(cè)試碼型。比如我們?cè)谶M(jìn)行信號(hào)質(zhì)量測(cè)試時(shí)，如果被測(cè)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(shí)的惡劣情況，所以測(cè)試時(shí)我們會(huì)希望被測(cè)件發(fā)出的數(shù)據(jù)盡可能地隨機(jī)以惡劣的情況。同時(shí)，因?yàn)檫@種數(shù)據(jù)流很多時(shí)候只是為了測(cè)試使用的，用戶(hù)的被測(cè)件在正常工作時(shí)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(jiǎn)單，不要額外占用太多的硬件資源。那么怎么用簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)單，圖1.21是PRBS7的產(chǎn)生原理，只需要用到7個(gè)移位寄存器和簡(jiǎn)單的異或門(mén)就可以實(shí)現(xiàn)。 中國(guó)香港自動(dòng)化數(shù)字信號(hào)測(cè)試