摆脱抖动困扰——如何应用多种测量策略来识别噪声源
时间：2017-01-12 10:50:00
作者：Andrea Dodini,是德科技
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摆脱抖动困扰的第一步是了解抖动。
产生抖动的原因多种多样，其中包括以下几种：
• 系统现象：例如辐射或传导带来的串扰、色散效应和阻抗失配。
• 数据相关现象：特定的数据码型才会带来的问题，包括码间干扰、占空比失真和伪随机性周期等问题。
• 随机噪声现象：这一现象可能由热效应导致，也可能来自于导体中的电子流相关的噪声、由半导体中的电子和空穴噪声引起的散粒噪声，或粉红噪声频谱(与时钟频率的倒数相关的)。
抖动源通常可分为“有界”或“无界”。
有界抖动源在可识别的时间间隔内达到最大和最小相位偏差。有界抖动是由系统和数据相关的现象造成。无界抖动源具有随机性，并且(理论上)幅度随着时间的无限而无限增加。
信号上的总体抖动(定义为其相位误差)是影响信号的确定性抖动和随机抖动的总和。
确定性抖动分量通过增加其产生的最大相位超前和相位时延来定义，而随机抖动是影响信号的所有随机噪声源之和。
如何知道自己的抖动问题有多糟糕？眼图可以帮助您，通常示波器现实信号是随着时间一个一个比特来显示，眼图显示方式则是把所有比特位叠加在一起显示，如图1 所示。
图1：理想化的眼图(来源：是德科技)。
Left crossing point: 左交叉点
X sampling point: X取样点
Right crossing point: 右交叉点
One unit interval one bit period: 一个单位时间间隔一点
该眼图的眼角处代表信号处于过渡阶段，在中心点处，信号逐渐变为稳定的电平 ，形成张大的“眼睛”。如果电路的接收端在图中的X时间点对信号进行取样，因为这时波形已经稳定，误判电平的概率会非常低。图2 所示为一个更真实的眼图，从中可以了解很多关于信号的信息。
图2：不规则眼图提供了丰富的信息(来源：是德科技)。
2 distinct Falling edges: 2个明显的下降沿
2 distinct Rising edges: 2个明显的上升沿
Lots of zeros: 多数为0
Threshold: 阈值
我们一一列出图2的细节：
• 波形底部的振幅变化小于顶部的振幅变化，这代表信号0 的幅度变化更小
• 底部有四个不同的迹线，代表着4个0；
• 波形顶部只有两个迹线，代表着两个1;
• 波形上升沿和下降沿是不同的，表明存在确定性抖动;
• 上升沿比下降沿的离散程度更大，并且一些交叉点在阈值电平以下相交，表明占空比有失真，导致 0 的导通时间比 1 更长。
直观呈现抖动还有其他方法可循，其中几种方法在应用于信号时还可以帮助识别抖动的来源。
直方图
直方图展现的是参数沿 x 轴的取值范围，y 轴为其发生的频率。在抖动分析中，直方图可用于绘制波形参数，如上升时间、下降时间、周期或占空比，从而显示可与电路条件相关的条件。
图3中的直方图表示的是时钟信号中的周期抖动。右边的双峰表示信号包含二次和四次谐波。
图3：周期抖动直方图(来源：是德科技)。
浴缸图
图4中的浴缸图表示的是信号的比特误码率(BER)与其采样点之间的关系。水平标度代表的是传输一个符号所花费的时间。BER通过垂直对数标度表示。
图4：浴缸图(来源：是德科技)。
Deterministic: 确定性抖动
Random: 随机抖动
当采样点处于或接近跳变点(0和TB)时，BER为0.5，这意味着一个比特传输成功与传输失败的概率相同。曲线在这些区域内相当平坦，抖动绝大部分是确定性抖动。随着采样点偏离跳变点，随机抖动逐渐增加并占据绝大部分，BER会迅速下降。浴缸图(图1)显示，采样的最佳时间是在两次符号跳变的中途。
通过查看抖动频谱上的频率分布，我们可以发现产生确定性抖动的来源，它们以线谱形式呈现。这一方法还可以显示来自载波或时钟的相位噪声或抖动随频率的偏移。
相位噪声测量让您可以深入了解锁相环或晶体振荡器设计，并且可以帮助识别由杂散信号引起的确定性抖动。这种测量有助于优化时钟恢复电路和显示内部噪声源。
图5所示为锁相环的内部抖动频谱。噪声在2 kHz频偏处达到峰值。图中还有线条可用于识别从60Hz到约800Hz的确定性抖动源，这些抖动可能由电源造成。频率线在2 MHz到7MHz也很明显，可能来自参考时钟。获得抖动的频域视图还有另一种方式，即对时间间隔误差数据(被测信号和参考时钟之间的相位差)进行快速傅里叶变换(FFT)，这种方法可以快速揭示高电平现象。
图5：内部抖动频谱(来源：是德科技)。
Deterministic sources: 确定性抖动源
Noise peaking: 噪声达到峰值
数字信号原本是为了保护信号携带的信息免受干扰而设计的，抖动是其最大的敌人之一。应用多种测量策略可以获得关于噪声特性和来源的更多见解，而不是简单的时间偏离，因此能帮助工程师修正抖动错误。对于抖动分析，我们还有一个示波器中的分析工具，帮助工程师识别串扰源，我们会另文撰写，这是Keysight 独有的工具。
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