数位讯号简介

数位位准说明那一个位元（0或1）被载送。但是，为了让不同设备之间通讯，位准所指示的位元应该联结一些时间资讯。为了达到这个目的，数位波型需参照时脉讯号。基本的时脉讯号是一个方波，有故定的时间长度，在(图一)中标示为tp。长度从时脉的一个波边（通常是上升边）量至时脉的下一个类似边（例如下一个上升边）。时脉的频率则是将时脉长度反转而得，也就是1/tp。

《图一 频率讯号的范例》

时脉讯号用于在资料传输期间将数位传送器和接收器同步化。举例来说，传送器可以使用(图二)的时脉讯号的上升边来发送每一位元的资料，而接收器可以使用同样的时脉来读取资料。

数位讯号的计时

数位传送器在时脉的「判定」边（assertion edge；亦称为动作时脉边）上驱动新的资料样本。对部份设备而言，判定边是上升边（从低到高）；其它设备则是下降边（由高到低）。有些比较新的设备甚至同时使用时脉的上升边和下降边；这类设备称为双倍资料传输率DDR（Double Data Rate）设备。事实上，资料是在时脉的判定边之后经过一小段延迟才传送；这段延迟时间称为clock-to-out time或tCO。接收器在每个动作时脉边处对资料取样。在图二的范例中，判定边是由时脉上升边的垂直箭头线条来显示。

保存时间和建立时间

当接收器根据接收器时脉的判定边，在数位线路上对资料进行取样时，必须先仔细分析两个时间参数，这样接收器才能可靠地取得资料。基本的原则就是这些资料线路不能在取样时间期间发生改变。第一个参数称为建立时间（setup time）或tSU。建立时间指的是在到达接收器时脉的判定边之前，资料讯号必须保持稳定（亦即不能变动）的时间量。第二个参数是保存时间（hold time），简写为tH。保存时间是资料讯号在到达接收器时脉的判定边之后，资料讯号必须保持稳定的时间量。二者一起，建立时间和保存时间正好需要在接收器时脉的判定边周围要求一个稳定的范围（window），接收器才能可靠地对资料取样。如果接收器的建立时间和保存时间不能配合，就无法可靠地对资料取样。更糟的是，接收器可能陷入不稳定状态。

《图二 建立时间及保存时间》

计时误差及分析

在数位系统中，时间是最重要的因素之一。数位通讯的可靠性和准确性都是根据其时间功能的品质而定。在真实世界的数位通讯系统中，有许多时间上的误差，其中最重要的两个是抖动（Jitter）和飘移（Drift）。

抖动

抖动是指与事件的理想时间的误差，通常是从参考讯号的过零点（zero-crossing）进行测量。抖动通常肇因于串音（cross-talk）、同时切换输出，以及其它周期性发生的干扰讯号。由于抖动会随着时间而变化，因此对抖动的测量及量化有多种进行方式，从目测几秒钟内的抖动范围，到以数据进行的测量（例如根据长时间的标准误差）。

《图三 抖动的范例》

飘移（Drift）

时脉的飘移发生在传送器的时脉长度与接收器的时脉长度略有不同之时。在多次时脉循环之后，两个长度之间的差异变得很明显，可能导致不同步及其它的误差。举例来说，假设两部高速数位I/O设备以100MHz进行撷取，仪器上的真实示波器的速率与其对应部份之间会略有不同。通常时脉准确度是以parts per million（ppm）或parts per billion（ppb）来表示。举例来说，一个准确度25mmp的100MHz时脉会以100MHz +/- 2.5 kHz的速度运行。如果两个数位I/O设备以这个速度和准确度撷取资料五秒钟,它们就会失去同步,误差可能高达500?s,或五个时脉长度。

眼图（Eye Diagram）

检视数位传输器的输出三个时间段落，即可建构出眼图。这三个时间段落是三段主要系统时脉tP,，在(图五)中以蓝色垂直虚线标示。如果传输器在这段时间段落内输出三个逻辑0值，线条看起来可能类似图五中的绿线。图五中的眼图是将所有可能的0与1的组合（0 1 1为粉红色，1 1 0为黄色，0 0 1为蓝色，1 0 0为绿色）叠在一条线段上，而完成建构。

《图四 眼图的范例》

眼图是一项时间分析工具，让使用者能够清楚看见时间和强度的误差。参见(图六)。在真实生活中，诸如抖动之类的误差非常难以量化，因为它们经常改变，而且非常小。因此，眼图非常便于寻找最大抖动以及电压强度的误差。当这些误差增加时，眼图中心的白色空间就会缩小。那个空间由两项特性所定义：眼宽（eye width）和眼高（eye height）。

《图五 从眼图检视的抖和电压噪声》

最后完成的眼图中的白色空间的宽度就称为眼宽。如果眼图由数量足够的样本构成（数百万个三个时间段落转换），眼宽就是用以度量在任何指定的时间期间内、资料线稳定的时间长度的良好工具。这样可以帮助了解可允许的保存时间和建立时间有多少。

最后完成的眼图中的白色空间的高度就称为眼高。如果眼图由数量足够的样本构成（数百万个三个时间段落转换），眼高可以指出接收器的VIH和VIL必须位于何处，才能正确地对资料取样。

数位讯号转换的品质越好，眼图中的开放白色空间越大。换句话说，眼宽和眼高应该尽可能地大。

《图六 眼图的高度及宽度》

数位讯号时间分析的范例

(图八)是一幅真实的眼图，它是高速数位器所取样的叠复转换（overlaid transitions）的强度图。线条的颜色是任一指定像素的叠复转换比例的度量。图八的眼图包括以下元件：叠复资料转换经过接收器的VIH的点。这是时脉发生、以保证可靠的资料取样的最早时间。如果时脉早于这个点，资料线在所需的建立时间时段中可能还在变动。在这个系统中，VIH电压强度就是限制强度，这个交会处代表时脉判定时间+时脉保存时间的有效点。

●接收器的建立时间；

●接收器的保存时间；

●低比例的叠复转换；

●极高比例的转换；

●接收器时脉的判定边是垂直实线；

●接收器的的VIH和VIL以水平虚线表示。

《图七 眼图的真实撷图》