引言

純凈的信號非常重要。如果您正在測量的信號上存在太多抖動，接收機最終解碼出來的信號將與發(fā)送的信號截然不同。想象一下，您正在駕駛自己開發(fā)的自動駕駛原型車，但該車的 GPS 系統(tǒng)沒有經過合適的測試，更不幸的是遠程傳輸?shù)?GPS 信號中有很多抖動。這可能導致汽車中的接收機收到的是“向左轉”命令，但卻誤解為“向右轉”。結果您發(fā)現(xiàn)自己沒有安全地前往目的地，而是把車開進了湖里。這還不是最糟的，更糟的是您的噩夢不幸成真：設計未獲批準。

如今，研發(fā)工程師不但必須在更短的時間內制作出更干凈、更快速的數(shù)字設計，還要滿足更廣泛的驗證要求。設計過程中的一個關鍵步驟是理解抖動、正確測量抖動、找到抖動源，進而減少引入到設計中的抖動量。抖動越小，您的設計可能就越穩(wěn)健，能夠進入開發(fā)周期的下一個階段。

充分理解抖動對于創(chuàng)造穩(wěn)健的設計至關重要。讓我們來看看抖動是什么，為什么要關注它，又該如何分析它。

什么是抖動？

抖動是指在邊沿上發(fā)生的噪聲和相位變化，它們會導致信號時序錯誤。舉個簡單的例子，考慮一個基本的數(shù)據(jù)信號（圖1 中的橙色跡線）。為了分析串行數(shù)據(jù)應用中使用的嵌入式器件，要從輸入的數(shù)據(jù)流中提取出參考時鐘，并與接收機的輸入信號結合使用來重建數(shù)據(jù)。參考時鐘在時鐘恢復電路中產生，它使接收機可以在本質上“查看”理想間隔的時間點。它可以看到信道在每個點上的電壓。根據(jù)從這個過程中解釋出來的內容，它可以重建數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流最終應與發(fā)射機發(fā)送的數(shù)據(jù)流完全一致。

圖1. 同時進行時鐘波形采集和 TIE 分析

但是，如果信號中出現(xiàn)了大量抖動，就會出現(xiàn)問題。如果接收信號中的很多比特位含有大量抖動，那么它們將無法正確地與參考時鐘同步。這意味著接收機最終可能在每個時鐘周期中收到錯誤的比特，因此會錯誤地解碼數(shù)據(jù)。

圖 1 中綠色跡線上的紅色“x”游標表示信號有抖動時發(fā)生的時序誤差。請注意，在某些情況下，上升沿或下降邊會出現(xiàn)得太快或太晚。這可以在使用余輝顯示模式的示波器上看到（見圖 2）。如果上升沿出現(xiàn)得太晚，那么接收機會錯誤解釋該比特。邊沿交叉點實際發(fā)生的時間與理想情況下應發(fā)生的時間之差稱為時間間隔誤差（TIE）。

邊沿交叉點實際發(fā)生的時間與理想情況下應發(fā)生的時間之差稱為時間間隔誤差（TIE）。

圖2. 使用余輝顯示模式顯示信號，您會看到時序上出現(xiàn)微小誤差（稱為 TIE）

信號中顯然總會有一些抖動。事實上，大多數(shù)設計都規(guī)定了抖動容限技術指標。那么，我們現(xiàn)在討論一個重要問題：如果抖動超過該技術指標會怎樣？

為什么要關注抖動？

正如我們之前提到的，如果您的信號未與參考時鐘同步并且抖動超出了容限值，接收機最終將錯誤地解釋該比特。舉一個簡單的例子，請參見圖 3 中的情況。發(fā)送的數(shù)據(jù)是二進制的 100。但是，在接收到的波形中存在一些抖動，這導致第二個比特在接收機中顯示為 1，而實際上發(fā)送的比特為 0。因此，接收機解碼得到的結果為 110。

圖3. 接收機錯誤地解釋了含有抖動的發(fā)送脈沖

我們以無人機為例。假設圖中頂部的串行數(shù)據(jù)包命令無人機飛回基地。然而，由于有抖動，接收機錯誤地解釋了比特，解碼得到的命令要求無人機向東飛行。您的寶貴設計最終可能會飛過窗戶而不是降落在指定位置。出現(xiàn)這樣的錯誤會讓您的設計無法獲得批準，也就無法進入開發(fā)工作的下一個階段。

無論您的設計有多好，接收到的信號中總會有一定數(shù)量的比特出錯。錯誤比特的數(shù)量與發(fā)送比特的總數(shù)之比稱為比特誤碼率（BER）。顯然您希望這個數(shù)字盡可能低，而且一定要低于特定標準規(guī)定的目標；例如，USB 3.0 規(guī)定的比特誤碼率為 1E-12。要限制 BER，您必須了解導致這些誤碼的各種抖動。

抖動的類型和組成

為保證信號中的抖動不會達到有害水平，您必須了解各種類型的抖動及其產生的來源。

注意，這里引用的模型是抖動的 Dual Dirac 模型，請記住這只是一個模型。該模型確定了兩種類型的抖動：一類是確定性抖動，另一類是隨機抖動，假設您可以識別確定性峰峰值抖動，并假設隨機抖動與該抖動不同。對于您來說，最重要的事就是要了解這些類型的抖動。

在此模型中，信號中的總體抖動（TJ）由兩大類抖動組成：

1.隨機抖動（RJ）：這是一種固有抖動，很難完全消除。熱噪聲、散粒噪聲和粉紅噪聲等因素都會引起固有抖動。您可以想辦法減少器件中的這種抖動，但永遠不可能完全根除它。

2.確定性抖動（DJ）：這是由器件的設計缺陷和物理限制引起的。這些因素包括占空比失真（DCD）、碼間干擾（ISI）、正弦（或周期性）抖動（PJ）、串擾和阻抗失配等。這種抖動更容易控制和消除。

現(xiàn)在，您已經知道了抖動的類型及其組成，那么該如何使用示波器來分析這種抖動，并開發(fā)解決問題的方案來消除其來源？

如何測量和理解抖動？

示波器可以通過多種不同的方式顯示和測量抖動。測量抖動時，首先要調整示波器的時基，以捕獲信號的多個周期。然后，示波器將這些周期與參考時鐘進行比較。請記住，參考時鐘是在時鐘恢復過程中還原的。這個參考時鐘提供了理想的比特速率，示波器需要根據(jù)該比特速率來確定信號到底是合乎理想的信號還是有誤差。通過這種比較，示波器可以得到 TIE 值，并以各種格式顯示出來。

理想的比特速率完全可以通過示波器計算得出，您可以輸入估計值，或者手動輸入明確的技術指標值，然后交給示波器進行計算。第二種方案最精確，而第一種方案最不準確，不過好處是最容易設置。

設置好比特率后，示波器就可以開始分析了。是德科技用于示波器的 EZJIT 應用軟件可以通過各種圖形格式，輕松地測量和分析抖動。

直方圖

直方圖中的 x 軸表示 TIE 計時值，y 軸顯示信號中出現(xiàn)這些值時的頻次。直方圖最重要的功能是幫助您確定信號中的抖動是隨機的還是確定性的，兩者的比例大約是多少。

如果信號中只有隨機抖動（RJ），則直方圖顯示為高斯分布（圖 4）。這是因為隨機抖 動通常呈高斯分布，在這種情況下，TIE 將以零點為中心。大多數(shù) TIE 值靠近零點，離得 越遠，我們得到的值越少（換句話說，大誤差將會比較少）。這意味著 RJ 導致明顯抖動 的概率很小。

圖4. 因為RJ而呈現(xiàn)高斯分布的直方圖

反之，如果信號有大量的確定性抖動（DJ），則其直方圖看起來不像是高斯分布，而可能是雙峰分布，類似于圖 5 所示。這種直方圖有兩個不同的中心點，而不是只有一個。 這是因為在本例中，DJ 有正弦調制或周期性抖動，您將在我們討論 TIE 趨勢圖時看到這個結果。TIE 值不以零點為中心，而是分別以高/低峰值為中心。因此，DJ 更有可能影響您研究的信號。

圖5. 受 DJ 影響而呈現(xiàn)雙峰分布的直方圖

抖動永遠不會是完全隨機的或完全確定性的。在幾乎所有情況下，直方圖都是同時包含高斯特征和非高斯特征（見圖 6）。但是當您查看直方圖時，您可以確定圖形的高斯特征更明顯（表明 RJ 更多，您基本上無法消除 RJ）還是非高斯特征更明顯（表示 DJ 更多，但您有可能消除 DJ）。

圖6. 是德科技的 EZJIT 應用軟件可以顯示一個直方圖視圖，并且因為同時有 RJ 和 DJ 存在，所以視圖一部分呈高斯分布，另一部分呈雙峰分布

TIE 趨勢圖

另一種顯示抖動的形式是 TIE 趨勢圖，它用 y 軸表示 TIE，用 x 軸表示出現(xiàn) TIE 的時間點。這種圖形可以顯示 TIE 隨時間變化的趨勢，使您可以查看是否存在某種調制或重復的錯誤碼型。圖 7 中的紫色跡線就是 TIE 趨勢圖。

在此例中，趨勢圖與相應的示波器跡線（橙色）一起顯示?，F(xiàn)在您可以清楚地看到，由 DJ 引起的 TIE 實際上是正弦調制。

圖 7. EZJIT 應用軟件生成的 TIE 趨勢圖顯示了 TIE 的正弦調制

眼圖

眼圖是查看抖動的最常用方式之一。設想信號流通過時，它被分成比特跳變組合（或三比特序列），這些單獨的跡線層疊顯示?？赡艿谋忍靥兘M合總共有 8 種（見圖 8）。

圖8. 8 種比特跳變組合及其層疊形成的眼圖

眼圖使用顏色分級來顯示信號通過圖中不同區(qū)域的頻次高低，這提供了另一種查看 TIE 頻次的方法。通過測量眼圖的張開度，您可以大致地查看有多少抖動。眼圖張開度越大，信號中的抖動就越小。張開度越小，抖動就越多。

圖 9 中顯示了這樣的一個例子。直方圖中的著色區(qū)說明這個眼圖有明顯的計時誤差，圖中還表現(xiàn)出誤差發(fā)生的大致頻次。是德科技的實時眼圖軟件可以在儀器上自動生成這個眼圖，使您可以很容易地看到 RJ 和 DJ（或 PJ）對您的器件有何影響。

圖 9. 是德科技的實時眼圖軟件可以自動生成信號的眼圖。請注意，在本白皮書中，屏幕顏色被反轉 過來以便于查看。

眼圖隨著時間延長累積數(shù)據(jù)增加，這就是為什么看起來捕獲脈沖的時間越長，眼圖“填充得就越滿”。您會看到眼圖的張開度隨著時間推移逐漸縮小，這是因為它正在捕獲更多的抖動實例。但是，如果您的設計非常穩(wěn)健，您應該不會看到太多變化。

抖動測量關鍵要點

您已經了解到很多關于抖動的信息，但有四個重點必須要記?。?/p>

?抖動的定義是信號中不需要的時序誤差。這種誤差會導致邊沿交叉點發(fā)生的時間稍早或稍晚（TIE）。

?過多的抖動會導致接收端錯誤地解釋比特，最終有可能造成系統(tǒng)錯誤。

?當您在直方圖上看到高斯分布時，說明是隨機抖動，您沒有太多的辦法來消除這種抖動。如果您看到了非高斯分布，則說明是確定性/周期性抖動，這種抖動更容易控制和減少。

?您可以使用示波器的直方圖、TIE 趨勢圖和眼圖來全面了解信號有多少抖動，以及抖動是否在可接受的范圍內。如果不可接受，您就需要進一步優(yōu)化設計。

結論

您必須了解抖動及其測量方法，才能開發(fā)出穩(wěn)健的設計。雖然一定的抖動是不可避免的，但您可以確定其原因，然后設法減少它。抖動越少，在接收端正確解釋的比特就更多，導航命令會更準確，不會讓您把車開到湖里面。此外，高效的抖動分析方法意味著您可以執(zhí)行更準確的測試，您的設計通過審批的可能性更高，從而使您的產品能夠進入下一個開發(fā)階段并更快地進入市場。

瓦力大作戰(zhàn)問題

根據(jù)文章描述，關于隨機抖動（RJ）和確定性抖動（DJ）的特性及分析方法，以下說法正確的是？

A.確定性抖動（DJ）主要由熱噪聲和散粒噪聲引起，屬于固有抖動，很難完全消除。

B.隨機抖動（RJ）在直方圖上通常呈現(xiàn)高斯分布，且很難完全根除。

C.確定性抖動（DJ）在直方圖上通常呈現(xiàn)高斯分布，且比隨機抖動更容易控制和消除。

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