數位訊號簡介

數位位準說明那一個位元（0或1）被載送。但是，為了讓不同設備之間通訊，位準所指示的位元應該聯結一些時間資訊。為了達到這個目的，數位波型需參照時脈訊號。基本的時脈訊號是一個方波，有故定的時間長度，在(圖一)中標示為tp。長度從時脈的一個波邊（通常是上升邊）量至時脈的下一個類似邊（例如下一個上升邊）。時脈的頻率則是將時脈長度反轉而得，也就是1/tp。

《圖一 時脈訊號的範例》

時脈訊號用於在資料傳輸期間將數位傳送器和接收器同步化。舉例來說，傳送器可以使用(圖二)的時脈訊號的上升邊來發送每一位元的資料，而接收器可以使用同樣的時脈來讀取資料。

數位訊號的計時

數位傳送器在時脈的「判定」邊（assertion edge；亦稱為動作時脈邊）上驅動新的資料樣本。對部份設備而言，判定邊是上升邊（從低到高）；其它設備則是下降邊（由高到低）。有些比較新的設備甚至同時使用時脈的上升邊和下降邊；這類設備稱為雙倍資料傳輸率DDR（Double Data Rate）設備。事實上，資料是在時脈的判定邊之後經過一小段延遲才傳送；這段延遲時間稱為clock-to-out time或tCO。接收器在每個動作時脈邊處對資料取樣。在圖二的範例中，判定邊是由時脈上升邊的垂直箭頭線條來顯示。

保存時間和建立時間

當接收器根據接收器時脈的判定邊，在數位線路上對資料進行取樣時，必須先仔細分析兩個時間參數，這樣接收器才能可靠地取得資料。基本的原則就是這些資料線路不能在取樣時間期間發生改變。第一個參數稱為建立時間（setup time）或tSU。建立時間指的是在到達接收器時脈的判定邊之前，資料訊號必須保持穩定（亦即不能變動）的時間量。第二個參數是保存時間（hold time），簡寫為tH。保存時間是資料訊號在到達接收器時脈的判定邊之後，資料訊號必須保持穩定的時間量。二者一起，建立時間和保存時間正好需要在接收器時脈的判定邊週圍要求一個穩定的範圍（window），接收器才能可靠地對資料取樣。如果接收器的建立時間和保存時間不能配合，就無法可靠地對資料取樣。更糟的是，接收器可能陷入不穩定狀態。

《圖二 建立時間及保存時間》

計時誤差及分析

在數位系統中，時間是最重要的因素之一。數位通訊的可靠性和準確性都是根據其時間功能的品質而定。在真實世界的數位通訊系統中，有許多時間上的誤差，其中最重要的兩個是抖動（Jitter）和飄移（Drift）。

抖動

抖動是指與事件的理想時間的誤差，通常是從參考訊號的過零點（zero-crossing）進行測量。抖動通常肇因於串音（cross-talk）、同時切換輸出，以及其它週期性發生的干擾訊號。由於抖動會隨著時間而變化，因此對抖動的測量及量化有多種進行方式，從目測幾秒鐘內的抖動範圍，到以數據進行的測量（例如根據長時間的標準誤差）。

《圖三 抖動的範例》

飄移（Drift）

時脈的飄移發生在傳送器的時脈長度與接收器的時脈長度略有不同之時。在多次時脈循環之後，兩個長度之間的差異變得很明顯，可能導致不同步及其它的誤差。舉例來說，假設兩部高速數位I/O設備以100MHz進行擷取，儀器上的真實示波器的速率與其對應部份之間會略有不同。通常時脈準確度是以parts per million（ppm）或parts per billion（ppb）來表示。舉例來說，一個準確度25mmp的100MHz時脈會以100MHz +/- 2.5 kHz的速度運行。如果兩個數位I/O設備以這個速率和準確度擷取資料五秒鐘，它們就會失去同步，誤差可能高達500?s，或五個時脈長度。

眼圖（Eye Diagram）

檢視數位傳輸器的輸出三個時間段落，即可建構出眼圖。這三個時間段落是三段主要系統時脈tP,，在(圖五)中以藍色垂直虛線標示。如果傳輸器在這段時間段落內輸出三個邏輯0值，線條看起來可能類似圖五中的綠線。圖五中的眼圖是將所有可能的0與1的組合（0 1 1為粉紅色，1 1 0為黃色，0 0 1為藍色，1 0 0為綠色）疊在一條線段上，而完成建構。

《圖四 眼圖的範例》

眼圖是一項時間分析工具，讓使用者能夠清楚看見時間和強度的誤差。參見(圖六)。在真實生活中，諸如抖動之類的誤差非常難以量化，因為它們經常改變，而且非常小。因此，眼圖非常便於尋找最大抖動以及電壓強度的誤差。當這些誤差增加時，眼圖中心的白色空間就會縮小。那個空間由兩項特性所定義：眼寬（eye width）和眼高（eye height）。

《圖五 從眼圖檢視的抖和電壓雜訊》

最後完成的眼圖中的白色空間的寬度就稱為眼寬。如果眼圖由數量足夠的樣本構成（數百萬個三個時間段落轉換），眼寬就是用以度量在任何指定的時間期間內、資料線穩定的時間長度的良好工具。這樣可以幫助了解可允許的保存時間和建立時間有多少。

最後完成的眼圖中的白色空間的高度就稱為眼高。如果眼圖由數量足夠的樣本構成（數百萬個三個時間段落轉換），眼高可以指出接收器的VIH和VIL必須位於何處，才能正確地對資料取樣。

數位訊號轉換的品質越好，眼圖中的開放白色空間越大。換句話說，眼寬和眼高應該盡可能地大。

《圖六 眼圖的高度及寬度》

數位訊號時間分析的範例

(圖八)是一幅真實的眼圖，它是高速數位器所取樣的疊複轉換（overlaid transitions）的強度圖。線條的顏色是任一指定像素的疊複轉換比例的度量。圖八的眼圖包括以下元件：疊複資料轉換經過接收器的VIH的點。這是時脈發生、以保證可靠的資料取樣的最早時間。如果時脈早於這個點，資料線在所需的建立時間時段中可能還在變動。在這個系統中，VIH電壓強度就是限制強度，這個交會處代表時脈判定時間+時脈保存時間的有效點。

●接收器的建立時間；

●接收器的保存時間；

●低比例的疊複轉換；

●極高比例的轉換；

●接收器時脈的判定邊是垂直實線；

●接收器的的VIH和VIL以水平虛線表示。

《圖七 眼圖的真實擷圖》