【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照妖鏡，任何一個設計不當，都可能會導致抖動和眼圖結果的惡化，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，每個時鐘周期都嚴格相等，每個數(shù)據UI (Unit Interval, 即每個bit的時間長度)也都嚴格相等，但真實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，時鐘或數(shù)據的邊沿往往存在不確定性，其真實位置和理想位置之間的偏差，就是所謂的抖動。當時鐘信號或數(shù)據信號存在較大的抖動時，接收機在識別信息時就會出錯，導致信息傳遞出現(xiàn)“誤碼”（Bit Error）。

抖動的示意圖

抖動考慮的是時鐘或數(shù)據過零點的時刻的不確定性，眼圖則更加直觀。我們以參考時鐘的邊沿為刀，將數(shù)據波形切割成無數(shù)的小段，每段波形只有1個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目。抖動可以評估時鐘或信號的穩(wěn)定性，眼圖可以綜合評估信號的抖動，幅度，反射，串擾等信號完整性問題。如果再套上一個眼圖模板，通過眼圖是否觸碰模板，就可以輕松評判信號質量的優(yōu)劣。

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，否則測量項就是Fail的。

JESD204B標準的接收端眼圖模板

測試工程師測出了眼圖和抖動的結果，給出測試Pass或Fail的測量報告，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？

其實基本思路非常簡單，概括起來就是：抓大放小，對癥下藥！經典理論下，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，將最嚴重的抖動成分降低，總體抖動就能降下來了。

抖動的分類

其中，隨機抖動(Rj, Random Jitter)是由布朗運動/熱噪聲引起的，符合高斯正態(tài)分布。隨機抖動的峰峰值和測量的樣本數(shù)(總bits數(shù)量)息息相關，理論上只要測量的時間足夠長，隨機抖動可以增加到無窮大。抖動分析時，隨機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），隨機抖動的峰峰值RJ(pk-pk)，可以使用RJ(rms)乘以一個修正系數(shù)得到。比如在1E12 個累積bits下(或1E-12誤碼率下), 這個系數(shù)是14，即:

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

隨機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，更換隨機抖動較大的有源器件，可以降低系統(tǒng)的隨機噪聲。

隨機抖動符合正態(tài)分布，向正無窮和負無窮方向無限延伸，無邊無界

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

周期性變化的抖動，稱之為周期性抖動。比如一個周期為1ns的時鐘信號，它的前15000個周期是1.01ns，后15000個周期是0.99ns，如此循環(huán)，那么這個信號中就包含一個33KHZ、三角波調制的周期性抖動。這就是大家非常熟悉的SSC擴頻時鐘，廣泛用于消費電子產品中，降低高速信號傳輸時所產生的EMI干擾。周期性抖動一般由高速SerDes的參考時鐘帶入，或者旁路高速信號的串擾所引起。周期性抖動不僅要看抖動的峰峰值，還要關注Pj的頻率。檢查時鐘，查找電路板上相關的干擾源，從而降低周期性抖動。

周期性抖動

最后也是最重要的抖動成分，數(shù)據相關性抖動(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，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)據信號而言，由于不同的碼型對應不同的信號頻率，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。

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

打個比方，一個信號的速率是10Gbps，當它傳輸?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下降沿。當它從一個電平較高的邏輯1回到邏輯0（紅色虛線），或者是從一個電平較低的邏輯1回到邏輯0(藍色實線)，下降沿的路徑不一樣了。這就導致下降沿過零點的時刻出現(xiàn)了不確定性，這就是抖動。這種抖動成分稱之為DDJ或ISI。

ISI抖動形成的原因

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

使用泰克實時示波器，測量LVDS或JESD204B非常方便。泰克示波器支持TekExpress LVDS自動測量軟件，涵蓋LVDS時鐘和數(shù)據的30多個測量項目，一鍵完成一致性測量。

TekExpress LVDS軟件支持的測量項種類齊全

工程師還可以根據規(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也有成熟的測量方案，基于DPOJET一鍵完成包括最重要的眼圖模板測試在內的所有測量項。

JESD204B測試方案