随着数据速率的不断提高，今天的高速数字电路设计的时序冗余度越来越小。要确保接收端采集到的串行数据信号有效和稳定，工程师要熟知抖动的定义，并且若是能够查明抖动的原因和源头，就能为您的系统设计和调试带来信心。

 

抖动是指随时间变化的信号对其当时理想位置的偏离，往往又被称作时间间隔误差（TIE）。工程师常常把抖动看成是信号边沿相对于参考边沿 ( 触发点 ) 的“跳动”。

 

抖动属随机噪声。对于大多数可重复和一致性的测量，要使用有效值，而不是峰峰值的统计测量。用峰峰值和有效值的关系评估抖动分布特性。

一、什么是抖动？

抖动的定义: “信号的某特定时刻相对于其理想时间位置上的短期偏离为抖动”


简单来说，抖动指的是信号实际跳变的时刻，相较于其理论上应当发生跳变的时刻所出现的提前或延迟。对于数字信号而言，这个跳变的有效瞬时点，就是信号的跳变点（或称交叉点）。而这一瞬时点的判定，取决于时间参考是源自采样数据，还是由外部独立提供。一旦抖动出现在采样点跳变阈值的 “错误位置”，致使接收电路无法正确识别该比特位发射时的真实状态，就会引发传输误差。图 1 所描述的，正是这样一种情形。


图 1. 抖动会导致接收机错误地解读被传输的数字数据。

正如本文所阐述的，工程师只要掌握抖动的类型与成因，熟悉器件特性以及各类抖动测试的优势，就能轻松定位抖动的根源，进而有效消除抖动对电路和产品造成的影响。



抖动是在边沿上发生的噪声和相位变化，它们会导致信号时序错误。

 

举个简单的例子，我们来看图 2 中那条橙色迹线所示的基础数据信号。在分析串行数据应用的嵌入式器件时，需要先从输入的数据流里提取参考时钟，再将其与接收机的输入信号相结合，以此完成数据重建。参考时钟由时钟恢复电路生成，它能让接收机在一系列理想的时间间隔点上对信号进行采样，读取信道在每个采样点的电压值。接收机根据这些采样得到的信息进行解析，最终重建出的数据流，理论上应当与发射机发送的原始数据流完全一致。

 

但问题会在信号存在大量抖动时出现。一旦接收信号的多数比特位都带有显著抖动，这些比特位就无法与参考时钟实现精准同步。这会导致接收机在每个时钟周期内都可能采集到错误的比特信息，进而造成数据解码失误。

 

抖动源

信号上的抖动会因各种原因而呈现出不同的特点。因此，对抖动源进行分类至关重要。下面列出了容易引起抖动的主要情形：

 

系统情况

这是数字系统本身在模拟环境下的特性对信号造成的影响。与系统相关的抖动源包括：

• 辐射信号或传导信号之间的串扰
• 散射效应
• 阻抗失配

 

数据相关现象

传输数据的码型或其他特性会对到达接收机位置的净抖动（net jitter）造成影响。与数据相关的抖动源包括：

• 码间干扰
• 占空比失真
• 伪随机、比特序列周期性

 

随机噪声现象

这里指的是，系统中随机引入的噪声会导致抖动现象的发生。此类抖动源包括：

• 热噪声 — 即 kTB 噪声。它与导体中的电子流紧密相关，并且会随着带宽、温度和噪声电阻的增加而增加。
• 散粒噪声 — 半导体中的电子噪声和孔噪声（hole noise），此类噪声的幅度取决于偏置电流和测量带宽。
• “粉红”噪声 — 频谱与 1/f 相关的噪声

    

上述现象在所有的半导体和元器件中都会发生，因此在锁相环设计、振荡器的拓扑结构和设计及晶体材料性能测试时都会遇到。

二、什么是时间间隔误差 TIE ？

时间间隔误差（Time Interval Error，简称 TIE）抖动，有时也被称为相位抖动，它以每个周期点的累计时间值相对该时间点理想值的偏差为样本展开统计分析。这种时间偏差算法具有累积效应，本质上是一种积分运算，能够反映出信号的长期抖动特性。

 

图 2 中绿色迹线上的红色 “x” 游标，标示的是信号存在抖动时产生的时序误差。需要注意的是，在部分情况下，信号的上升沿或下降沿会出现提前或延迟的现象，这一特征可以在开启余辉显示模式的示波器上清晰观测到（见图 3）。而信号边沿交叉点的实际发生时间，与理想状态下应发生时间的差值，就是我们所说的时间间隔误差（Time Interval Error - TIE）。



三、为什么要关注抖动？

- 抖动影响了数字系统的性能和可靠性

 

在 SDH 这类同步系统中，传输时钟的抖动会影响子系统的同步性能，抖动过大不仅会直接造成误码，还会降低信号的消光比 —— 这一参数等效于电信号的信噪比（SNR）。正因如此，ITU-T、Bellcore、ANSI 等标准组织均制定了对应的模板（Mask），用以检定眼图是否存在过大抖动，同时测量传输时钟的抖动漂移情况。

 

传统并行数据通信采用多通道数据与时钟分开传输的方式，这种架构常会因为 PCB 阻抗不匹配、传输路径不一致等问题，引发建立时间与保持时间的违反。随着传输速率提升，精准控制传输时延的难度会急剧增大。因此，如今主流的新型数据通信均采用串行架构，它不仅通过一对差分线传输数据以降低信号的 EMI 干扰，还会将时钟信息嵌入数据流中，由接收端通过时钟数据恢复电路（CDR）从数据里提取并恢复时钟。基于这一原理，一旦数据的抖动过大、频率过高，接收端的 CDR 就会无法正常恢复时钟，最终引发误码。由此可见，控制系统时钟与输出数据的抖动至关重要。

 

除此之外，抖动还会直接压缩逻辑数字系统的建立保持时间余量，对系统的逻辑正常运作造成严重影响。

 

正如前文所述，若信号未能与参考时钟同步，且抖动超出容限值，接收机终将错误解读比特信息。我们可以看一个简单的例子，如图 4 所示：发送端发出的二进制数据为 100，但受接收波形中抖动的影响，第二个比特在接收机中被识别为 1，原本的 100 最终被解码成了 110。


我们不妨以无人机为例来具体说明：假设图中顶部的串行数据包，其指令是让无人机飞回基地。但受抖动影响，接收机出现了比特解读错误，最终解码出的指令变成了让无人机向东飞行。如此一来，你精心设计的方案很可能会让无人机径直撞向窗户，而非降落在指定地点。这类错误的出现，会直接导致你的设计无法通过审核，进而无法进入后续的开发阶段。

 

需要注意的是，无论你的设计多么完善，接收信号中总会不可避免地出现一定数量的误比特。误比特数与发送比特总数的比值，被称为比特误码率（BER）。显然，你会希望这一数值尽可能低，且必须满足相关标准规定的目标值 —— 例如 USB 3.0 就明确要求比特误码率需达到 1E-12。而要有效控制比特误码率，你就必须充分了解引发这些误码的各类抖动成因。

四、信号抖动和信号漂移的区别是什么？
 

• 快过10Hz的偏离为抖动 (Jitter)

• 慢过10Hz的偏离为漂移 (Wander)

 

信号漂移是什么意思?

 

信号漂移是指信号在传输或处理过程中发生的参数变化，导致信号的特性逐渐偏离其原始状态的现象。这种现象通常是由于环境因素、设备老化或外部干扰等原因引起的。