【做信号链，你需要了解的高速信号知识（二）】高速的挑战 – 抖动和眼图

时间：2024-03-18 16:47:52

关键字：通信示波器测试测量

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[导读]泰克实时示波器支持TekExpressLVDS自动测量软件，涵盖LVDS时钟和数据的30多个测量项目，一键完成一致性测量。

做高速的工程师最头疼的问题就是抖动和眼图测量Fail。抖动和眼图测量就像是一个照妖镜，任何一个设计不当，都可能会导致抖动和眼图结果的恶化，而要解决抖动和眼图问题，工程师往往无从下手。

教科书上的数字信号，每个时钟周期都严格相等，每个数据UI（Unit Interval，即每个bit的时间长度）也都严格相等，但真实世界里这种信号是不存在的。由于热噪声和各种因素的影响，时钟或数据的边沿往往存在不确定性，其真实位置和理想位置之间的偏差，就是所谓的抖动。当时钟信号或数据信号存在较大的抖动时，接收机在识别信息时就会出错，导致信息传递出现“误码”（Bit Error）。

图7：抖动的示意图

抖动考虑的是时钟或数据过零点的时刻的不确定性，眼图则更加直观。我们以参考时钟的边沿为刀，将数据波形切割成无数的小段，每段波形只有1个bit。然后将这些小段波形堆叠到一起，形成的眼睛形状的图片，称之为眼图。

图8：眼图是由所有bits堆叠而形成的图样，包含所有bits的信号完整性信息

自高速串行信号诞生之初，抖动和眼图就是必测的项目。抖动可以评估时钟或信号的稳定性，眼图可以综合评估信号的抖动，幅度，反射，串扰等信号完整性问题。如果再套上一个眼图模板，通过眼图是否触碰模板，就可以轻松评判信号质量的优劣。

图9：眼图及其模板

LVDS和JESD204B规范里就有抖动和眼图模板测试。翻开JESD Spec，会发现它清晰地定义了近端和源端的眼图模板。眼图不得碰到三块模板（灰色区域）里的任何一块，否则测量项就是Fail的。

图10：JESD204B标准的接收端眼图模板

测试工程师测出了眼图和抖动的结果，给出测试Pass或Fail的测量报告，工作就算完成了。但研发工程师的噩梦才刚刚开始，测试Fail了，怎么才能解决呢？

其实基本思路非常简单，概括起来就是：抓大放小，对症下药！经典理论下，信号的总体抖动（Tj，Total Jitter）可以分成以下几类。我们通过示波器的抖动软件，测量出每种抖动成分的大小，将最严重的抖动成分降低，总体抖动就能降下来了。

图11：抖动的分类

其中，随机抖动（Rj，Random Jitter）是由布朗运动/热噪声引起的，符合高斯正态分布。随机抖动的峰峰值和测量的样本数（总bits数量）息息相关，理论上只要测量的时间足够长，随机抖动可以增加到无穷大。抖动分析时，随机抖动的测量值一般用RMS值来表示，即正态分布的σ值。特定样本数下（也称特定误码率下），随机抖动的峰峰值RJ(pk-pk)，可以使用RJ(rms)乘以一个修正系数得到。比如在1E12个累积bits下（或1E-12误码率下），这个系数是14，即：

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

随机抖动一般是由链路中的电源和有源器件带来的，通过改良电源的噪声性能，更换随机抖动较大的有源器件，可以降低系统的随机噪声。

图12：随机抖动符合正态分布，向正无穷和负无穷方向无限延伸，无边无界

与随机抖动对应的，是确定性抖动（Dj，Deterministic Jitter），它是有界的。在有限的样本数之内，Dj的峰峰值会很快趋于稳定，并维持不变。Dj的测量结果常常用峰峰值来表示。Dj最重要的两个成分是周期性抖动（PJ，Periodic Jitter）和数据相关性抖动（DDJ，Data-Dependent Jitter）。

周期性变化的抖动，称之为周期性抖动。比如一个周期为1ns的时钟信号，它的前15000个周期是1.01ns，后15000个周期是0.99ns，如此循环，那么这个信号中就包含一个33KHZ、三角波调制的周期性抖动。这就是大家非常熟悉的SSC扩频时钟，广泛用于消费电子产品中，降低高速信号传输时所产生的EMI干扰。周期性抖动一般由高速SerDes的参考时钟带入，或者旁路高速信号的串扰所引起。周期性抖动不仅要看抖动的峰峰值，还要关注Pj的频率。检查时钟，查找电路板上相关的干扰源，从而降低周期性抖动。