数字信号的抖动(Jitter)

抖动的概念

抖动(Jitter)是数字信号，尤其是高速数字信号的一个非常关键的概念。如图1.40所 示，抖动反映的是数字信号偏离其理想位置的时间偏差。

高频数字信号的比特周期都非常短，一般为几百ps甚至几十ps,很小的抖动都会造成信号采样位置的变化从而造成数据误判，所以高频数字信号对于抖动都有严格的要求。抖动这个概念说起来简单，但实际上仔细研究起来是非常复杂的，关于其概念的理解有以下几个需要注意的方面：
数字通信的带宽表征为：bit的传输速率；中国香港自动化数字信号测试

什么是数字信号(DigitalSignal)

典型的数字设备是由很多电路组成来实现一定的功能的，系统中的各个部分主要通过数字信号的传输来进行信息和数据的交互。

数字信号通过其0、1的逻辑状态的变化来一定的含义，典型的数字信号用两个不同的信号电平来分别逻辑0和逻辑1的状态(有些更复杂的数字电路会采用多个信号电平实现更多信息的传输)。真实的世界中并不存在理想的逻辑0、1状态，所以真实情况下只是用一定的信号电平的电压范围来相应的逻辑状态。比如图1.1中，当信号的电压低于判决阈值(中间的虚线部分)的下限时逻辑0状态，当信号的电压高于判决阈值的上限时逻辑1状态。 中国香港自动化数字信号测试数字信号的波形分析（Waveform Analysis）;

数字信号的上升时间(Rising Time)

任何一个真实的数字信号在由一个逻辑电平状态跳转到另一个逻辑电平状态时,其中间的过渡时间都不会是无限短的。信号电平跳变的过渡时间越短，说明信号边沿越陡。我们通常使用上升时间(RisingTime)这个参数来衡量信号边沿的陡缓程度，通常上升时间是指数字信号由幅度的10%增加到幅度的90%所花的时间(也有些场合会使用20%～80%的上升时间或其他标准)。上升时间越短，说明信号越陡峭。大部分数字信号的下降时间(信号从幅度的90%下降到幅度的10%所花的时间)和上升时间差不多(也有例外)。图1.2比较了两种不同上升时间的数字信号。上升时间可以客观反映信号边沿的陡缓程度，而且由于计算和测量简单，所以得到的应用。对有些非常高速的串行数字信号，如PCIe、USB3.0、100G以太网等信号，由于信号速率很高，传输线对信号的损耗很大，信号波形中很难找到稳定的幅度10%和90%的位置，所以有时也会用幅度20%～80%的上升时间来衡量信号的陡缓程度。通常速率越高的信号其上升时间也会更陡一些(但不一定速率低的信号上升时间一定就缓),上升时间是数字信号分析中的一个非常重要的概念，后面我们会反复提及和用到这个概念。

由于真正的预加重电路在实现时需要有相应的放大电路来增加跳变比特的幅度，电路  比较复杂而且增加系统功耗，所以在实际应用时更多采用去加重的方式。去加重技术不是  增大跳变比特的幅度，而是减小非跳变比特的幅度，从而得到和预加重类似的信号波形。 图 1.29是对一个10Gbps的信号进行-3.5dB的去加重后对频谱的影响。可以看到，去加  重主要是通过压缩信号的直流和低频分量(长0 或者长 1  的比特流),从而改善其在传输过  程中可 能造成的对短0或者短1 比特的影响。数字信号处理技术经过几十年的发展已经相当成熟，目前在很多领域都有着宽敞的应用。

数字信号的带宽(Bandwidth)

在进行数字信号的分析和测试时，了解我们要分析的数字信号的带宽是很重要的一点，它决定了我们进行电路设计时对PCB走线和传输介质传输带宽的要求，也决定了测试对仪表的要求。

数字信号的带宽可以大概理解为数字信号的能量在频域的一个分布范围，由于数字信号不是正弦波，有很多高次谐波成分，所以其在频域的能量分布是一个比较复杂的问题。

传统上做数字电路设计的工程师习惯根据信号的5次谐波来估算带宽，比如如果信号的数据速率是100Mbps,其快的0101的跳变波形相当于50MHz的方波时钟，这个方波时钟的5次谐波成分是250MHz,因此信号的带宽大概就在250MHz以内。这种方法看起来很合理，因为5次谐波对于重建信号的基本波形形状是非常重要的，但这种方法对于需要进行精确波形参数测量的场合来说就不太准确了。比如同样是50MHz 的信号，如果上升沿很陡接近理想方波，其高次谐波能量就比较大；而如果上升沿很缓接近 正弦波，其高次谐波能量就很小。
幅度测量是数字信号常用的测量，也是很多其他参数侧鲁昂的基础。中国香港自动化数字信号测试

上升时间是数字信号另一个非常关键的参数，它反映了一个数字信号在电平切换时边沿变化的快慢。中国香港自动化数字信号测试

伪随机码型(PRBS)

在进行数字接口的测试时，有时会用到一些特定的测试码型。比如我们在进行信号质量测试时，如果被测件发送的只是一些规律跳变的码型，可能不了真实通信时的恶劣情况，所以测试时我们会希望被测件发出的数据尽可能地随机以恶劣的情况。同时，因为这种数据流很多时候只是为了测试使用的，用户的被测件在正常工作时还是要根据特定的协议发送真实的数据流，因此产生这种随机数据码流的电路比较好尽可能简单，不要额外占用太多的硬件资源。那么怎么用简单的方法产生尽可能随机一些的数据流输出呢?首先，因为真正随机的码流是很难用简单的电路实现的，所以我们只需要生成尽可能随机的码流就可以了，其中常用的一种数据码流是PRBS(PseudoRandomBinarySequence,伪随机码)码流。PRBS码的产生非常简单，图1.21是PRBS7的产生原理，只需要用到7个移位寄存器和简单的异或门就可以实现。 中国香港自动化数字信号测试