DG70000系列 任意波形发生器 PRBS-NRZ信号生成

NRZ（不归零） 信号凭借其简洁的编码规则和高效的带宽利用率， 在高速串行链路、光纤通信、 存储互连及板级总线等数字系统中仍被广泛采用。 随着数据速率不断攀升， 系统裕量持续收窄， 即使是成熟的 NRZ 链路， 微小的抖动、 噪声或通道失真也会显著恶化眼图张开度， 直接威胁系统的误码率与可靠性。 因此， 准确理解抖动如何影响信号质量，对于设计验证、产品调试和量产导入至关重要。

然而， 来自被测器件或在线系统的信号往往夹杂未知且时变的损伤， 难以开展系统化的根因分析。 工程师需要一种可控、 可重复的信号源方案， 能够生成定义明确的 NRZ 波形，并精确注入已知的抖动分量，从而将观测到的眼图退化与特定损伤机制一一对应。

RIGOL DG70000 系列任意波形发生器正是为此而生。 它以最高 12 GSa/s 采样率、16 bit 垂直分辨率、 1.5 Gpts（双通道共享 3.0 Gpts） 超深存储和 10 ps 总抖动的卓越性能， 为工程师提供了实验室级的高品质 NRZ 信号生成平台。 配合内置的 PRBS 码型生成、 NRZ/PAM4 编码、 独立的 RJ/PJ 抖动注入功能， 用户无需借助外部软件或复杂编
程，即可在 DG70000 上一站式完成从基础波形到含受损信号的全链路构建。

本应用指南从 NRZ 信号的基本原理出发， 系统介绍如何使用 DG70000 生成基于
PRBS 的高质量 NRZ 信号，涵盖以下核心内容：

1. PRBS 码型选择与 NRZ 编码配置 — 不同 PRBS 阶数的跳变密度特性与选型策略
2. 信号参数设置 — 数据速率、采样率、幅度、边沿时间等关键参数的配置方法
3. 抖动注入与损伤控制 — 随机抖动（RJ）与周期性抖动（PJ）的独立注入及参数设定
4. 眼图与抖动分析 — 配合 DS80000 实时示波器， 从眼图、 TIE 轨迹、 抖动频谱和直方图四个维度解读信号质量
5. 实际调试方法 — 如何利用可控参考信号建立测量基线， 并将分析方法迁移至真实被测系统

NRZ 编码原理

NRZ 编码将逻辑“1” 映射为高电平、 逻辑“0” 映射为低电平， 在整个比特周期内信号电平保持不变， 带宽效率高， 广泛用于高速串行链路。 RZ（归零） 编码， 每个“1”在后半周期后归零， 自带时钟信息， 但占用双倍带宽。 相比 RZ， NRZ 不需要在每个比特周期内返回零电平， 因此在相同带宽条件下可传输更高的数据速率。 PRBS（伪随机二进制序列）是一种确定性码型，兼具类似随机数据的统计特性和精确的可重复性。

图1 RZ、NRZ与PRBS波形对比

NRZ 信号的关键时域特征包括：

NRZ 在高速系统中的应用现状

• PCIe Gen1–Gen4 （ 2.5–16 GT/s ）
• USB 2.0/3.x （ 480 Mbps–10 Gbps ）
• SATA/SAS（1.5–12 Gbps）
• HDMI 1.x/2.0（最高 6 Gbps/lane）
• JESD204B/C（最高 32.44 Gbps ）
• 低速光纤通信（ 1G/10G/25G 以太网光模块 ）
• 车载以太网（100BASE-T1/1000BASE-T1）

在这些应用中， 眼图和抖动测试是验收和调试的核心环节。 一个可控的 NRZ 参考信号源， 能够帮助工程师在不依赖实际 DUT 的情况下， 验证测量配置的正确性并建立分析基线。

为什么需要可控的 PRBS-NRZ 参考信号

实际工程中， 工程师面临的典型困惑是： 观测到的眼图闭合， 究竟源自信号源、 传输通道还是测量系统本身？ 如果测试信号本身就包含未知的、 不可控的损伤， 根因分析将无从入手。

基于 PRBS 的 NRZ 信号具有以下优势：

1. 充足的跳变密度：保证眼图积累的完整性
2. 确定性序列：测量结果严格可重复
3. 均匀的频谱特性：模拟真实数据流的频域行为
4. 标准化应用：PCIe、USB、SATA 等协议的一致性测试均采用 PRBS 码型

图2 NRZ 信号完整性测试系统模型示意图

产品概述

RIGOL DG70000 系列任意信号发生器 是业界领先的高性能任意波形发生器，核心技术参数如下：

• NEW！波形存储深度升级至 3 Gpts (双通道共享)
• NEW！波表快速播放
• NEW！基础波形外部导入BIN文件波表类型
• NEW！Matlab 和 Python 接口
• 最高 12G Sa/s 采样率
• 最高 5 GHz 模拟带宽
• 16 bit 垂直分辨率
• 直接生成载波高达 5 GHz 的信号
• -70 dBc 无杂散动态范围

这些参数使 DG70000系列 能够在高达数 Gb/s 的数据速率下， 生成具有精确边沿控制、超低本底抖动和极长码型长度的高质量 NRZ 信号。

PRBS 码型生成

DG70000 内置多种标准 PRBS 码型， 用户可直接在仪器前面板选择。 得益于 3.0 Gpts 的超深波形存储（ 新固件升级， 选件支持双通道共享 3.0 Gpts 深存储），DG70000 可以在高采样率下完整存储超长 PRBS 序列， 避免码型截断和重复拼接带来的频谱伪影。

超深存储与 PRBS 序列完整性

以 5 GSa/s 采样率为例，3.0 Gpts 双通道共享存储深度可支持：

NRZ 编码与信号参数配置

图3 DG70000 设置 PRBS31 操作界面

如图3所示， 在 DG70000 的“ 高级波形 → 编码/调制” 界面中， 用户可选择PRBS31 编码方式，并配置以下核心参数：

数据速率与采样率

数据速率通过单位间隔（UI） 时间定义。 采样率应设置为数据速率的整数倍， 以确保精确的边沿定位：

幅度与电平

DG70000 支持灵活的幅度设置， 可通过高/低电平或幅度/偏置两种方式定义。 工程师可以用一台 DG70000 模拟下表中几乎所有协议的 NRZ 参数信号， 进行眼图与抖动测试基线建立。

抖动注入

DG70000 提供独立的随机抖动（RJ） 和周期性抖动（PJ） 注入功能， 允许用户精确控制注入的抖动类型和幅度，设置界面如图4、图5所示。

随机抖动（RJ） ： 幅度以 RMS 值设定， 可设置抖动噪声的带宽范围， 模拟由热噪声、散粒噪声等宽带噪声源引起的时序变化。

周期性抖动（PJ） ： 频率可设定特定的干扰频率， 幅度以峰峰值设定， 模拟由电源纹波、时钟串扰等确定性干扰源引起的周期性时序偏移。

通过组合不同幅度的 RJ 和 PJ，工程师可以构建预定义的“受损信号”，用于：

1. 验证示波器的抖动分离能力（RJ/DJ 分解）
2. 评估接收机在特定抖动条件下的容忍度
3. 建立抖动预算与系统裕量的映射关系

图4 PJ 设置界面

图5 RJ 设置界面

确立无损伤参考基线系统搭建

图6 确立无损伤参考基线的系统搭建

仪器组成

• RIGOL DG70000：生成可控 PRBS-NRZ 信号
• RIGOL DS80000：眼图捕获与抖动分析
• 高质量 50 Ω SMA 电缆：信号传输

连接配置

• DG70000 通道输出 → 高质量 SMA 同轴电缆 → DS80000 通道输入
• DS80000 输入端配置为 50Ω，确保阻抗匹配
• DG70000 输出幅度调整至匹配示波器输入量程，无需外部衰减器
• 如需触发同步，可将 DG70000 的同步输出连接至 DS80000 外触发输入

关键设置要点

示波器端

• 输入带宽设置：高于数据速率的 0.9～1 倍频率
• 采样率：确保足够的时间分辨率（通常 ≥ 4× 数据速率）
• 时钟恢复：根据数据速率和 PRBS 码型特性选择合适的恢复模式
• 记录长度：足够长以累积统计意义上充分的眼图和抖动数据

信号发生器端

• 确认 PRBS 码型阶数与编码方式（NRZ）正确选择
• 验证输出信号幅度、DC 偏置和端接阻抗设置
• 若需注入抖动，按照测试目标设定 RJ 和 PJ 参数

注释： 如果进行标准的眼图测试， 通常使用示波器的带宽等于信号的奈奎斯特频率。 2.5 Gbps 数字信号的基频是 1.25 GHz。 对于数字通信分析， 通常建议带宽至少是基频的 1.8 到 2 倍。 因此 2.5 GHz带宽的示波器是测试 5 Gbps 信号的入门选择。

眼图观测

完成测量设置后， 在 DS80000 上启用眼图分析功能。 示波器将自动进行时钟恢复，并将捕获的波形按单位间隔叠加显示。眼图的关键观测指标包括：

抖动对眼图的影响

当 DG70000 未注入任何抖动时， 眼图应呈现清晰的张开状态， 仅由信号源本底抖动（10 ps 总抖动）和通道固有损耗决定的极小闭合。

抖动测量与分析

时间间隔误差（TIE）

TIE 是每个跳变沿相对于恢复时钟理想位置的时间偏差， 是最基本的抖动度量。

DS80000 可同时显示：

• TIE 统计值：峰峰值（TIE p-p）和均方根值（TIE RMS），量化抖动的总体水平
• TIE 轨迹：抖动随时间的变化趋势，用于识别低频漂移或周期性模式
• TIE 频谱：抖动的频率成分分布，离散谱线对应确定性抖动源
• TIE 直方图：抖动的概率分布，高斯形态指向随机抖动，双峰/多峰指向确定性抖动

四个维度联合分析

将眼图、 TIE 轨迹、 TIE 频谱和 TIE 直方图四个视图结合分析， 可以形成对抖动行为的完整认知：

验证与校准应用

由于 DG70000 注入的抖动参数已知， 可以将示波器的测量结果与注入值进行对比验证：

• 注入 PJ 频率 50 MHz → TIE 频谱中应出现 50 MHz 处的离散谱线
• 注入 RJ = 5 ps RMS → TIE 直方图的高斯拟合标准差应接近 5 ps
• 注入 PJ = 20 ps p-p → TIE 轨迹中周期性分量的峰峰值应接近 20 ps

这种闭环验证能力使 DG70000 成为示波器抖动测量功能校准和培训的理想工具。

实际调试方法

建立测量基线

在对真实 DUT 进行信号完整性测试之前， 建议先使用 DG70000 生成已知参考信号，建立“干净”的测量基线：

1. 配置 DG70000 生成不含抖动注入的 PRBS-NRZ 信号
2. 在 DS80000 上观测眼图和 TIE，确认测量系统本底性能
3. 逐步注入已知 RJ 和 PJ，验证示波器的测量灵敏度和分离能力
4. 记录基线数据，作为后续 DUT 测试的参考

迁移至 DUT 测试

基线建立后，将信号源从 DG70000 切换为实际 DUT：

• 使用相同的示波器配置和分析方法
• 将 DUT 的测量结果与基线进行对比
• TIE 频谱中新增的离散谱线 → 指向 DUT 特有的确定性干扰源
• TIE 直方图的展宽幅度 → 评估 DUT 附加的随机抖动贡献

注释： 如果想进一步了解眼图功能， 请到 www.rigol.com 下载《应用指南： 眼图——示波器高级测量功能》 。

常见调试场景

RIGOL DG70000 任意波形发生器凭借 12 GSa/s 高采样率、 16 bit 高分辨率、 1.5Gpts 超深存储（3.0 Gpts 双通道共享） 和 10 ps 超低本底抖动， 结合内置的 PRBS 码型生成与独立 RJ/PJ 抖动注入功能， 为 NRZ 信号完整性测试提供了从信号生成到损伤模拟的一站式解决方案。

配合 RIGOL DS80000 系列实时示波器的眼图和抖动分析功能，工程师可以：

• 在实验室条件下构建可控、可重复的 NRZ 测试环境
• 通过四个维度联合分析（眼图/TIE 轨迹/频谱/直方图）系统化地理解抖动行为
• 建立测量基线，并将验证过的分析方法自信地迁移至真实 DUT 测试
• 快速定位信号质量问题的根本原因，缩短调试周期

本应用指南展示的方法论同样适用于 PAM4 等更高阶调制方案的信号生成与分析，为工程师应对下一代高速接口挑战做好准备。