引言

純凈的信號(hào)非常重要。如果您正在測(cè)量的信號(hào)上存在太多抖動(dòng)，接收機(jī)最終解碼出來的信號(hào)將與發(fā)送的信號(hào)截然不同。想象一下，您正在駕駛自己開發(fā)的自動(dòng)駕駛原型車，但該車的 GPS 系統(tǒng)沒有經(jīng)過合適的測(cè)試，更不幸的是遠(yuǎn)程傳輸?shù)?GPS 信號(hào)中有很多抖動(dòng)。這可能導(dǎo)致汽車中的接收機(jī)收到的是“向左轉(zhuǎn)”命令，但卻誤解為“向右轉(zhuǎn)”。結(jié)果您發(fā)現(xiàn)自己沒有安全地前往目的地，而是把車開進(jìn)了湖里。這還不是最糟的，更糟的是您的噩夢(mèng)不幸成真：設(shè)計(jì)未獲批準(zhǔn)。

如今，研發(fā)工程師不但必須在更短的時(shí)間內(nèi)制作出更干凈、更快速的數(shù)字設(shè)計(jì)，還要滿足更廣泛的驗(yàn)證要求。設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟是理解抖動(dòng)、正確測(cè)量抖動(dòng)、找到抖動(dòng)源，進(jìn)而減少引入到設(shè)計(jì)中的抖動(dòng)量。抖動(dòng)越小，您的設(shè)計(jì)可能就越穩(wěn)健，能夠進(jìn)入開發(fā)周期的下一個(gè)階段。

充分理解抖動(dòng)對(duì)于創(chuàng)造穩(wěn)健的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。讓我們來看看抖動(dòng)是什么，為什么要關(guān)注它，又該如何分析它。

什么是抖動(dòng)？

抖動(dòng)是指在邊沿上發(fā)生的噪聲和相位變化，它們會(huì)導(dǎo)致信號(hào)時(shí)序錯(cuò)誤。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，考慮一個(gè)基本的數(shù)據(jù)信號(hào)（圖1 中的橙色跡線）。為了分析串行數(shù)據(jù)應(yīng)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(shí)鐘，并與接收機(jī)的輸入信號(hào)結(jié)合使用來重建數(shù)據(jù)。參考時(shí)鐘在時(shí)鐘恢復(fù)電路中產(chǎn)生，它使接收機(jī)可以在本質(zhì)上“查看”理想間隔的時(shí)間點(diǎn)。它可以看到信道在每個(gè)點(diǎn)上的電壓。根據(jù)從這個(gè)過程中解釋出來的內(nèi)容，它可以重建數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流最終應(yīng)與發(fā)射機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)流完全一致。

圖1. 同時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘波形采集和 TIE 分析

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

圖 1 中綠色跡線上的紅色“x”游標(biāo)表示信號(hào)有抖動(dòng)時(shí)發(fā)生的時(shí)序誤差。請(qǐng)注意，在某些情況下，上升沿或下降邊會(huì)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(jī)會(huì)錯(cuò)誤解釋該比特。邊沿交叉點(diǎn)實(shí)際發(fā)生的時(shí)間與理想情況下應(yīng)發(fā)生的時(shí)間之差稱為時(shí)間間隔誤差（TIE）。

邊沿交叉點(diǎn)實(shí)際發(fā)生的時(shí)間與理想情況下應(yīng)發(fā)生的時(shí)間之差稱為時(shí)間間隔誤差（TIE）。

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

信號(hào)中顯然總會(huì)有一些抖動(dòng)。事實(shí)上，大多數(shù)設(shè)計(jì)都規(guī)定了抖動(dòng)容限技術(shù)指標(biāo)。那么，我們現(xiàn)在討論一個(gè)重要問題：如果抖動(dòng)超過該技術(shù)指標(biāo)會(huì)怎樣？

為什么要關(guān)注抖動(dòng)？

正如我們之前提到的，如果您的信號(hào)未與參考時(shí)鐘同步并且抖動(dòng)超出了容限值，接收機(jī)最終將錯(cuò)誤地解釋該比特。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，請(qǐng)參見圖 3 中的情況。發(fā)送的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制的 100。但是，在接收到的波形中存在一些抖動(dòng)，這導(dǎo)致第二個(gè)比特在接收機(jī)中顯示為 1，而實(shí)際上發(fā)送的比特為 0。因此，接收機(jī)解碼得到的結(jié)果為 110。

圖3. 接收機(jī)錯(cuò)誤地解釋了含有抖動(dòng)的發(fā)送脈沖

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

無論您的設(shè)計(jì)有多好，接收到的信號(hào)中總會(huì)有一定數(shù)量的比特出錯(cuò)。錯(cuò)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(gè)數(shù)字盡可能低，而且一定要低于特定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的目標(biāo)；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(dǎo)致這些誤碼的各種抖動(dòng)。

抖動(dòng)的類型和組成

為保證信號(hào)中的抖動(dòng)不會(huì)達(dá)到有害水平，您必須了解各種類型的抖動(dòng)及其產(chǎn)生的來源。

注意，這里引用的模型是抖動(dòng)的 Dual Dirac 模型，請(qǐng)記住這只是一個(gè)模型。該模型確定了兩種類型的抖動(dòng)：一類是確定性抖動(dòng)，另一類是隨機(jī)抖動(dòng)，假設(shè)您可以識(shí)別確定性峰峰值抖動(dòng)，并假設(shè)隨機(jī)抖動(dòng)與該抖動(dòng)不同。對(duì)于您來說，最重要的事就是要了解這些類型的抖動(dòng)。

在此模型中，信號(hào)中的總體抖動(dòng)（TJ）由兩大類抖動(dòng)組成：

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

2.確定性抖動(dòng)（DJ）：這是由器件的設(shè)計(jì)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(dòng)（PJ）、串?dāng)_和阻抗失配等。這種抖動(dòng)更容易控制和消除。

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

如何測(cè)量和理解抖動(dòng)？

示波器可以通過多種不同的方式顯示和測(cè)量抖動(dòng)。測(cè)量抖動(dòng)時(shí)，首先要調(diào)整示波器的時(shí)基，以捕獲信號(hào)的多個(gè)周期。然后，示波器將這些周期與參考時(shí)鐘進(jìn)行比較。請(qǐng)記住，參考時(shí)鐘是在時(shí)鐘恢復(fù)過程中還原的。這個(gè)參考時(shí)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(hào)到底是合乎理想的信號(hào)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(jì)算得出，您可以輸入估計(jì)值，或者手動(dòng)輸入明確的技術(shù)指標(biāo)值，然后交給示波器進(jìn)行計(jì)算。第二種方案最精確，而第一種方案最不準(zhǔn)確，不過好處是最容易設(shè)置。

設(shè)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(yīng)用軟件可以通過各種圖形格式，輕松地測(cè)量和分析抖動(dòng)。

直方圖

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

如果信號(hào)中只有隨機(jī)抖動(dòng)（RJ），則直方圖顯示為高斯分布（圖 4）。這是因?yàn)殡S機(jī)抖 動(dòng)通常呈高斯分布，在這種情況下，TIE 將以零點(diǎn)為中心。大多數(shù) TIE 值靠近零點(diǎn)，離得 越遠(yuǎn)，我們得到的值越少（換句話說，大誤差將會(huì)比較少）。這意味著 RJ 導(dǎo)致明顯抖動(dòng) 的概率很小。

圖4. 因?yàn)镽J而呈現(xiàn)高斯分布的直方圖

反之，如果信號(hào)有大量的確定性抖動(dòng)（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(gè)不同的中心點(diǎn)，而不是只有一個(gè)。 這是因?yàn)樵诒纠校珼J 有正弦調(diào)制或周期性抖動(dòng)，您將在我們討論 TIE 趨勢(shì)圖時(shí)看到這個(gè)結(jié)果。TIE 值不以零點(diǎn)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(hào)。

圖5. 受 DJ 影響而呈現(xiàn)雙峰分布的直方圖

抖動(dòng)永遠(yuǎn)不會(huì)是完全隨機(jī)的或完全確定性的。在幾乎所有情況下，直方圖都是同時(shí)包含高斯特征和非高斯特征（見圖 6）。但是當(dāng)您查看直方圖時(shí)，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(yīng)用軟件可以顯示一個(gè)直方圖視圖，并且因?yàn)橥瑫r(shí)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(shì)圖

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

在此例中，趨勢(shì)圖與相應(yīng)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(shí)際上是正弦調(diào)制。

圖 7. EZJIT 應(yīng)用軟件生成的 TIE 趨勢(shì)圖顯示了 TIE 的正弦調(diào)制

眼圖

眼圖是查看抖動(dòng)的最常用方式之一。設(shè)想信號(hào)流通過時(shí)，它被分成比特跳變組合（或三比特序列），這些單獨(dú)的跡線層疊顯示。可能的比特跳變組合總共有 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(jí)來顯示信號(hào)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(cè)量眼圖的張開度，您可以大致地查看有多少抖動(dòng)。眼圖張開度越大，信號(hào)中的抖動(dòng)就越小。張開度越小，抖動(dòng)就越多。

圖 9 中顯示了這樣的一個(gè)例子。直方圖中的著色區(qū)說明這個(gè)眼圖有明顯的計(jì)時(shí)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(shí)時(shí)眼圖軟件可以在儀器上自動(dòng)生成這個(gè)眼圖，使您可以很容易地看到 RJ 和 DJ（或 PJ）對(duì)您的器件有何影響。

圖 9. 是德科技的實(shí)時(shí)眼圖軟件可以自動(dòng)生成信號(hào)的眼圖。請(qǐng)注意，在本白皮書中，屏幕顏色被反轉(zhuǎn) 過來以便于查看。

眼圖隨著時(shí)間延長(zhǎng)累積數(shù)據(jù)增加，這就是為什么看起來捕獲脈沖的時(shí)間越長(zhǎng)，眼圖“填充得就越滿”。您會(huì)看到眼圖的張開度隨著時(shí)間推移逐漸縮小，這是因?yàn)樗诓东@更多的抖動(dòng)實(shí)例。但是，如果您的設(shè)計(jì)非常穩(wěn)健，您應(yīng)該不會(huì)看到太多變化。

抖動(dòng)測(cè)量關(guān)鍵要點(diǎn)

您已經(jīng)了解到很多關(guān)于抖動(dòng)的信息，但有四個(gè)重點(diǎn)必須要記?。?/p>

?抖動(dòng)的定義是信號(hào)中不需要的時(shí)序誤差。這種誤差會(huì)導(dǎo)致邊沿交叉點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間稍早或稍晚（TIE）。

?過多的抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接收端錯(cuò)誤地解釋比特，最終有可能造成系統(tǒng)錯(cuò)誤。

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

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

結(jié)論

您必須了解抖動(dòng)及其測(cè)量方法，才能開發(fā)出穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。雖然一定的抖動(dòng)是不可避免的，但您可以確定其原因，然后設(shè)法減少它。抖動(dòng)越少，在接收端正確解釋的比特就更多，導(dǎo)航命令會(huì)更準(zhǔn)確，不會(huì)讓您把車開到湖里面。此外，高效的抖動(dòng)分析方法意味著您可以執(zhí)行更準(zhǔn)確的測(cè)試，您的設(shè)計(jì)通過審批的可能性更高，從而使您的產(chǎn)品能夠進(jìn)入下一個(gè)開發(fā)階段并更快地進(jìn)入市場(chǎng)。

瓦力大作戰(zhàn)問題

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

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

B.隨機(jī)抖動(dòng)（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(dòng)（DJ）在直方圖上通常呈現(xiàn)高斯分布，且比隨機(jī)抖動(dòng)更容易控制和消除。

關(guān)于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試解決方案，旨在幫助工程師在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時(shí)控制好風(fēng)險(xiǎn)。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天與國(guó)防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場(chǎng)。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個(gè)安全互聯(lián)的世界。了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問是德科技官網(wǎng)www.keysight.com.cn。