什么是抖動(dòng)？

從本質(zhì)上講，抖動(dòng)是將信號(hào)的實(shí)際邊緣與您希望它所在的位置進(jìn)行對(duì)比。如果信號(hào)的邊緣太遠(yuǎn)，它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)。“總體抖動(dòng)”可以分解成多個(gè)分量，每個(gè)由不同的原因造成，代表設(shè)計(jì)中的不同問題。在高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試中，必不可少地要了解不同的抖動(dòng)分量和關(guān)鍵的分析技巧（解釋眼圖）。抖動(dòng)屬隨機(jī)噪聲。對(duì)于大多數(shù)可重復(fù)和一致性的測(cè)量，要使用有效值，而不是峰峰值的統(tǒng)計(jì)測(cè)量。用峰峰值和有效值的關(guān)系評(píng)估抖動(dòng)分布特性。

抖動(dòng)的定義 - 信號(hào)的某特定時(shí)刻相對(duì)于其理想時(shí)間位置上的短期偏離為抖動(dòng)。

簡(jiǎn)單來說，抖動(dòng)是指相對(duì)于其應(yīng)當(dāng)發(fā)生跳變的時(shí)間，信號(hào)實(shí)際跳變時(shí)有多長(zhǎng)時(shí)間的提前或延遲。對(duì)于數(shù)字信號(hào)而言，這個(gè)有效瞬時(shí)就是信號(hào)的跳變點(diǎn)（或交叉點(diǎn)）。這取決于時(shí)間參考是來自于采樣數(shù)據(jù)，還是由外部提供。如果抖動(dòng)發(fā)生在采樣點(diǎn)跳變閾值的“錯(cuò)誤位置”，并且導(dǎo)致接收電路“錯(cuò)解”了該比特位發(fā)射時(shí)的真實(shí)情況，那么就會(huì)出現(xiàn)傳輸誤差。

圖 1 就是對(duì)這種情形的描述。

圖 1. 抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)錯(cuò)誤地解讀被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

工程師如能了解抖動(dòng)的類型及成因，熟悉器件特性和各類抖動(dòng)測(cè)試優(yōu)勢(shì)，便可輕松地確認(rèn)抖動(dòng)的根源，從而有效地消除抖動(dòng)對(duì)電路和產(chǎn)品的影響。

圖 2 抖動(dòng)是在邊沿上發(fā)生的噪聲和相位變化

抖動(dòng)是在邊沿上發(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，圖2中的橙色跡線是一個(gè)基本的數(shù)據(jù)信號(hào)。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。

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2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 3）。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 3. 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）。

為什么要關(guān)注抖動(dòng)？- 抖動(dòng)影響了數(shù)字系統(tǒng)的性能和可靠性

在同步系統(tǒng)如 SDH, 傳輸時(shí)鐘抖動(dòng)影響子系統(tǒng)的同步, 過大的抖動(dòng)直接造成誤碼, 或減低了信號(hào)的消光比 ER (等同電信號(hào)的信噪比 SNR)。所以 ITU-T, Bellcore, ANSI 都制定模板Mask來檢定眼圖是否擁有過大的抖動(dòng)，以及測(cè)量傳輸時(shí)鐘抖動(dòng)漂移。

傳統(tǒng)的并行式數(shù)據(jù)通信，即多通道數(shù)據(jù)與時(shí)鐘分別傳送，往往因?yàn)镻CB阻抗不匹配，傳輸路徑不一致而產(chǎn)生建立與保持時(shí)間違反。當(dāng)速度增加的時(shí)候，準(zhǔn)確控制傳輸時(shí)延顯得異常的困難，今天新穎的數(shù)據(jù)通信都已經(jīng)是串行了， 不單只使用一對(duì)差分線來傳送數(shù)據(jù)，以減低信號(hào)EMI的干擾，更往往將時(shí)鐘嵌入在數(shù)據(jù)中， 而接收端則使用 CDR 從數(shù)據(jù)中恢復(fù)時(shí)鐘出來。 所以，若數(shù)據(jù)的抖動(dòng)過大，頻率過高，接收端的 CDR 將無法恢復(fù)時(shí)鐘而導(dǎo)致誤碼。 所以需要控制系統(tǒng)的時(shí)鐘與輸出的數(shù)據(jù)抖動(dòng)。

抖動(dòng)直接減小了邏輯數(shù)字系統(tǒng)的建立保持時(shí)間的余量， 嚴(yán)重的影響邏輯運(yùn)作。

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

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)。