【做信號(hào)鏈，你需要了解的高速信號(hào)知識(shí)（二）】 高速的挑戰(zhàn) – 抖動(dòng)和眼圖

做高速的工程師最頭疼的問(wèn)題就是抖動(dòng)和眼圖測(cè)量Fail。抖動(dòng)和眼圖測(cè)量就像是一個(gè)照妖鏡，任何一個(gè)設(shè)計(jì)不當(dāng)，都可能會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)和眼圖結(jié)果的惡化，而要解決抖動(dòng)和眼圖問(wèn)題，工程師往往無(wú)從下手。

教科書(shū)上的數(shù)字信號(hào)，每個(gè)時(shí)鐘周期都嚴(yán)格相等，每個(gè)數(shù)據(jù)UI (Unit Interval, 即每個(gè)bit的時(shí)間長(zhǎng)度)也都嚴(yán)格相等，但真實(shí)世界里這種信號(hào)是不存在的。由于熱噪聲和各種因素的影響，時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的邊沿往往存在不確定性，其真實(shí)位置和理想位置之間的偏差，就是所謂的抖動(dòng)。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)或數(shù)據(jù)信號(hào)存在較大的抖動(dòng)時(shí)，接收機(jī)在識(shí)別信息時(shí)就會(huì)出錯(cuò)，導(dǎo)致信息傳遞出現(xiàn)“誤碼”（Bit Error）。

抖動(dòng)的示意圖

抖動(dòng)考慮的是時(shí)鐘或數(shù)據(jù)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻的不確定性，眼圖則更加直觀。我們以參考時(shí)鐘的邊沿為刀，將數(shù)據(jù)波形切割成無(wú)數(shù)的小段，每段波形只有1個(gè)bit。然后將這些小段波形堆疊到一起，形成的眼睛形狀的圖片，稱之為眼圖。

眼圖是由所有bits堆疊而形成的圖樣，包含所有bits的信號(hào)完整性信息

自高速串行信號(hào)誕生之初，抖動(dòng)和眼圖就是必測(cè)的項(xiàng)目。抖動(dòng)可以評(píng)估時(shí)鐘或信號(hào)的穩(wěn)定性，眼圖可以綜合評(píng)估信號(hào)的抖動(dòng)，幅度，反射，串?dāng)_等信號(hào)完整性問(wèn)題。如果再套上一個(gè)眼圖模板，通過(guò)眼圖是否觸碰模板，就可以輕松評(píng)判信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣。

眼圖及其模板

LVDS和JESD204B規(guī)范里就有抖動(dòng)和眼圖模板測(cè)試。翻開(kāi)JESD Spec，會(huì)發(fā)現(xiàn)它清晰地定義了近端和源端的眼圖模板。眼圖不得碰到三塊模板(灰色區(qū)域)里的任何一塊，否則測(cè)量項(xiàng)就是Fail的。

JESD204B標(biāo)準(zhǔn)的接收端眼圖模板

測(cè)試工程師測(cè)出了眼圖和抖動(dòng)的結(jié)果，給出測(cè)試Pass或Fail的測(cè)量報(bào)告，工作就算完成了。但研發(fā)工程師的噩夢(mèng)才剛剛開(kāi)始，測(cè)試Fail了，怎么才能解決呢？

其實(shí)基本思路非常簡(jiǎn)單，概括起來(lái)就是：抓大放小，對(duì)癥下藥！經(jīng)典理論下，信號(hào)的總體抖動(dòng)(Tj, Total Jitter)可以分成以下幾類。我們通過(guò)示波器的抖動(dòng)軟件，測(cè)量出每種抖動(dòng)成分的大小，將最嚴(yán)重的抖動(dòng)成分降低，總體抖動(dòng)就能降下來(lái)了。

抖動(dòng)的分類

其中，隨機(jī)抖動(dòng)(Rj, Random Jitter)是由布朗運(yùn)動(dòng)/熱噪聲引起的，符合高斯正態(tài)分布。隨機(jī)抖動(dòng)的峰峰值和測(cè)量的樣本數(shù)(總bits數(shù)量)息息相關(guān)，理論上只要測(cè)量的時(shí)間足夠長(zhǎng)，隨機(jī)抖動(dòng)可以增加到無(wú)窮大。抖動(dòng)分析時(shí)，隨機(jī)抖動(dòng)的測(cè)量值一般用RMS值來(lái)表示，即正態(tài)分布的σ值。特定樣本數(shù)下（也稱特定誤碼率下），隨機(jī)抖動(dòng)的峰峰值RJ(pk-pk)，可以使用RJ(rms)乘以一個(gè)修正系數(shù)得到。比如在1E12 個(gè)累積bits下(或1E-12誤碼率下), 這個(gè)系數(shù)是14，即:

RJ(pk-pk) = RJ(rms) x 14

隨機(jī)抖動(dòng)一般是由鏈路中的電源和有源器件帶來(lái)的，通過(guò)改良電源的噪聲性能，更換隨機(jī)抖動(dòng)較大的有源器件，可以降低系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲。

隨機(jī)抖動(dòng)符合正態(tài)分布，向正無(wú)窮和負(fù)無(wú)窮方向無(wú)限延伸，無(wú)邊無(wú)界

與隨機(jī)抖動(dòng)對(duì)應(yīng)的，是確定性抖動(dòng)(Dj, Deterministic Jitter)，它是有界的。在有限的樣本數(shù)之內(nèi)，Dj的峰峰值會(huì)很快趨于穩(wěn)定，并維持不變。Dj的測(cè)量結(jié)果常常用峰峰值來(lái)表示。Dj最重要的兩個(gè)成分是周期性抖動(dòng)(PJ, Periodic Jitter )和數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)(DDJ, Data-Dependent Jitter)。

周期性變化的抖動(dòng)，稱之為周期性抖動(dòng)。比如一個(gè)周期為1ns的時(shí)鐘信號(hào)，它的前15000個(gè)周期是1.01ns，后15000個(gè)周期是0.99ns，如此循環(huán)，那么這個(gè)信號(hào)中就包含一個(gè)33KHZ、三角波調(diào)制的周期性抖動(dòng)。這就是大家非常熟悉的SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘，廣泛用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，降低高速信號(hào)傳輸時(shí)所產(chǎn)生的EMI干擾。周期性抖動(dòng)一般由高速SerDes的參考時(shí)鐘帶入，或者旁路高速信號(hào)的串?dāng)_所引起。周期性抖動(dòng)不僅要看抖動(dòng)的峰峰值，還要關(guān)注Pj的頻率。檢查時(shí)鐘，查找電路板上相關(guān)的干擾源，從而降低周期性抖動(dòng)。

周期性抖動(dòng)

最后也是最重要的抖動(dòng)成分，數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)(DDj, Data Dependent Jitter)，也叫碼間干擾(ISI, Inter-Symbol Interference)?？梢哉f(shuō)，高速串行通信迭代升級(jí)的過(guò)程，就是對(duì)抗DDJ的過(guò)程。

信號(hào)在鏈路上傳輸時(shí)，由于寄生參數(shù)的影響，會(huì)有損耗。專業(yè)名詞叫做插入損耗(Insertion Loss)，對(duì)應(yīng)S參數(shù)里的傳輸參數(shù)S21。傳輸線越長(zhǎng)，信號(hào)頻率越高，損耗越大。對(duì)于鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)而言，由于不同的碼型對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)頻率，損耗會(huì)有差異，直觀來(lái)看就是信號(hào)的電平會(huì)呈現(xiàn)不同的幅度。

典型的S21插入損耗。同一信道，對(duì)不同頻率信號(hào)的衰減是不同的

打個(gè)比方，一個(gè)信號(hào)的速率是10Gbps，當(dāng)它傳輸?shù)氖?010這樣的碼型，其頻率為5GHZ；而如果傳輸?shù)氖?100碼型，頻率就只有2.5GHZ了。高頻衰減更大，因此1010這種碼型，信號(hào)幅度會(huì)比較低。

信號(hào)幅度的差異會(huì)帶來(lái)什么問(wèn)題呢？我們觀察下圖中的最后一個(gè)下降沿。當(dāng)它從一個(gè)電平較高的邏輯1回到邏輯0（紅色虛線），或者是從一個(gè)電平較低的邏輯1回到邏輯0(藍(lán)色實(shí)線)，下降沿的路徑不一樣了。這就導(dǎo)致下降沿過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻出現(xiàn)了不確定性，這就是抖動(dòng)。這種抖動(dòng)成分稱之為DDJ或ISI。

ISI抖動(dòng)形成的原因

ISI不僅會(huì)影響到抖動(dòng)，也會(huì)讓眼圖惡化。下圖是一個(gè)高速信號(hào)，從發(fā)送端，到傳輸路徑中間的測(cè)試點(diǎn)，再到接收端的眼圖變化。我們看到，隨著傳輸線距離的增加，ISI抖動(dòng)愈發(fā)嚴(yán)重，眼圖的眼寬和眼高都明顯收窄，甚至到最后眼圖完全閉合了。

傳輸線損耗所引起的ISI抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致眼圖惡化

使用泰克實(shí)時(shí)示波器，測(cè)量LVDS或JESD204B非常方便。泰克示波器支持TekExpress LVDS自動(dòng)測(cè)量軟件，涵蓋LVDS時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的30多個(gè)測(cè)量項(xiàng)目，一鍵完成一致性測(cè)量。

TekExpress LVDS軟件支持的測(cè)量項(xiàng)種類齊全

工程師還可以根據(jù)規(guī)范的要求，快速生成自定義眼圖模板。

TekExpress LVDS的自定義眼圖模板

JESD204B也有成熟的測(cè)量方案，基于DPOJET一鍵完成包括最重要的眼圖模板測(cè)試在內(nèi)的所有測(cè)量項(xiàng)。

JESD204B測(cè)試方案