【做信號鏈，你需要了解的高速信號知識（二）】高速的挑戰(zhàn) – 抖動和眼圖

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

教科書上的數(shù)字信號，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)間長度）也都嚴(yán)格相等，但真實(shí)世界里這種信號是不存在的。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。當(dāng)時(shí)鐘信號或數(shù)據(jù)信號存在較大的抖動時(shí)，接收機(jī)在識別信息時(shí)就會出錯(cuò)，導(dǎo)致信息傳遞出現(xiàn)“誤碼”（Bit Error）。

圖7：抖動的示意圖

抖動考慮的是時(shí)鐘或數(shù)據(jù)過零點(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。

圖8：眼圖是由所有bits堆疊而形成的圖樣，包含所有bits的信號完整性信息

自高速串行信號誕生之初，抖動和眼圖就是必測的項(xiàng)目。抖動可以評估時(shí)鐘或信號的穩(wěn)定性，眼圖可以綜合評估信號的抖動，幅度，反射，串?dāng)_等信號完整性問題。如果再套上一個(gè)眼圖模板，通過眼圖是否觸碰模板，就可以輕松評判信號質(zhì)量的優(yōu)劣。

圖9：眼圖及其模板

LVDS和JESD204B規(guī)范里就有抖動和眼圖模板測試。翻開JESD Spec，會發(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，否則測量項(xiàng)就是Fail的。

圖10：JESD204B標(biāo)準(zhǔn)的接收端眼圖模板

測試工程師測出了眼圖和抖動的結(jié)果，給出測試Pass或Fail的測量報(bào)告，工作就算完成了。但研發(fā)工程師的噩夢才剛剛開始，測試Fail了，怎么才能解決呢？

其實(shí)基本思路非常簡單，概括起來就是：抓大放小，對癥下藥！經(jīng)典理論下，信號的總體抖動（Tj，Total Jitter）可以分成以下幾類。我們通過示波器的抖動軟件，測量出每種抖動成分的大小，將最嚴(yán)重的抖動成分降低，總體抖動就能降下來了。

圖11：抖動的分類

其中，隨機(jī)抖動（Rj，Random Jitter）是由布朗運(yùn)動/熱噪聲引起的，符合高斯正態(tài)分布。隨機(jī)抖動的峰峰值和測量的樣本數(shù)（總bits數(shù)量）息息相關(guān)，理論上只要測量的時(shí)間足夠長，隨機(jī)抖動可以增加到無窮大。抖動分析時(shí)，隨機(jī)抖動的測量值一般用RMS值來表示，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)抖動一般是由鏈路中的電源和有源器件帶來的，通過改良電源的噪聲性能，更換隨機(jī)抖動較大的有源器件，可以降低系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲。

圖12：隨機(jī)抖動符合正態(tài)分布，向正無窮和負(fù)無窮方向無限延伸，無邊無界

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

周期性變化的抖動，稱之為周期性抖動。比如一個(gè)周期為1ns的時(shí)鐘信號，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)信號中就包含一個(gè)33KHZ、三角波調(diào)制的周期性抖動。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，降低高速信號傳輸時(shí)所產(chǎn)生的EMI干擾。周期性抖動一般由高速SerDes的參考時(shí)鐘帶入，或者旁路高速信號的串?dāng)_所引起。周期性抖動不僅要看抖動的峰峰值，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。

圖13：周期性抖動

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

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

圖14：典型的S21插入損耗。同一信道，對不同頻率信號的衰減是不同的

打個(gè)比方，一個(gè)信號的速率是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，信號幅度會比較低。

信號幅度的差異會帶來什么問題呢？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)致下降沿過零點(diǎn)的時(shí)刻出現(xiàn)了不確定性，這就是抖動。這種抖動成分稱之為DDJ或ISI。

圖15：ISI抖動形成的原因

ISI不僅會影響到抖動，也會讓眼圖惡化。下圖是一個(gè)高速信號，從發(fā)送端，到傳輸路徑中間的測試點(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。

圖16：傳輸線損耗所引起的ISI抖動會導(dǎo)致眼圖惡化

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

圖17：TekExpress LVDS軟件支持的測量項(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。

圖18：TekExpress LVDS的自定義眼圖模板

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

圖19：JESD204B測試方案

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