【導讀】做高速的工程師最頭疼的問(wèn)題就是抖動(dòng)和眼圖測量Fail。抖動(dòng)和眼圖測量就像是一個(gè)照妖鏡，任何一個(gè)設計不當，都可能會(huì )導致抖動(dòng)和眼圖結果的惡化，而要解決抖動(dòng)和眼圖問(wèn)題，工程師往往無(wú)從下手。
做高速的工程師最頭疼的問(wèn)題就是抖動(dòng)和眼圖測量Fail。抖動(dòng)和眼圖測量就像是一個(gè)照妖鏡，任何一個(gè)設計不當，都可能會(huì )導致抖動(dòng)和眼圖結果的惡化，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)上的數字信號，每個(gè)時(shí)鐘周期都嚴格相等，每個(gè)數據UI (Unit Interval, 即每個(gè)bit的時(shí)間長(cháng)度)也都嚴格相等，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)鐘或數據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)。當時(shí)鐘信號或數據信號存在較大的抖動(dòng)時(shí)，接收機在識別信息時(shí)就會(huì )出錯，導致信息傳遞出現“誤碼”（Bit Error）。
圖7：抖動(dòng)的示意圖
抖動(dòng)考慮的是時(shí)鐘或數據過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻的不確定性，眼圖則更加直觀(guān)。我們以參考時(shí)鐘的邊沿為刀，將數據波形切割成無(wú)數的小段，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(chēng)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(dòng)和眼圖就是必測的項目。抖動(dòng)可以評估時(shí)鐘或信號的穩定性，眼圖可以綜合評估信號的抖動(dòng)，幅度，反射，串擾等信號完整性問(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，就可以輕松評判信號質(zhì)量的優(yōu)劣。
圖9：眼圖及其模板
LVDS和JESD204B規范里就有抖動(dòng)和眼圖模板測試。翻開(kāi)JESD Spec，會(huì )發(fā)現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(灰色區域)里的任何一塊，否則測量項就是Fail的。
圖10：JESD204B標準的接收端眼圖模板
測試工程師測出了眼圖和抖動(dòng)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(mèng)才剛剛開(kāi)始，測試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，對癥下藥！經(jīng)典理論下，信號的總體抖動(dòng)(Tj, Total Jitter)可以分成以下幾類(lèi)。我們通過(guò)示波器的抖動(dòng)軟件，測量出每種抖動(dòng)成分的大小，將最嚴重的抖動(dòng)成分降低，總體抖動(dòng)就能降下來(lái)了。
圖11：抖動(dòng)的分類(lèi)
其中，隨機抖動(dòng)(Rj, Random Jitter)是由布朗運動(dòng)/熱噪聲引起的，符合高斯正態(tài)分布。隨機抖動(dòng)的峰峰值和測量的樣本數(總bits數量)息息相關(guān)，理論上只要測量的時(shí)間足夠長(cháng)，隨機抖動(dòng)可以增加到無(wú)窮大。抖動(dòng)分析時(shí)，隨機抖動(dòng)的測量值一般用RMS值來(lái)表示，即正態(tài)分布的σ值。特定樣本數下（也稱(chēng)特定誤碼率下），隨機抖動(dòng)的峰峰值RJ(pk-pk)，可以使用RJ(rms)乘以一個(gè)修正系數得到。比如在1E12 個(gè)累積bits下(或1E-12誤碼率下), 這個(gè)系數是14，即:
RJ(pk-pk) = RJ(rms) x 14
隨機抖動(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，更換隨機抖動(dòng)較大的有源器件，可以降低系統的隨機噪聲。
圖12：隨機抖動(dòng)符合正態(tài)分布，向正無(wú)窮和負無(wú)窮方向無(wú)限延伸，無(wú)邊無(wú)界
與隨機抖動(dòng)對應的，是確定性抖動(dòng)(Dj, Deterministic Jitter)，它是有界的。在有限的樣本數之內，Dj的峰峰值會(huì )很快趨于穩定，并維持不變。Dj的測量結果常常用峰峰值來(lái)表示。Dj最重要的兩個(gè)成分是周期性抖動(dòng)(PJ, Periodic Jitter )和數據相關(guān)性抖動(dòng)(DDJ, Data-Dependent Jitter)。
周期性變化的抖動(dòng)，稱(chēng)之為周期性抖動(dòng)。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、三角波調制的周期性抖動(dòng)。這就是大家非常熟悉的SSC擴頻時(shí)鐘，廣泛用于消費電子產(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(dòng)一般由高速SerDes的參考時(shí)鐘帶入，或者旁路高速信號的串擾所引起。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)。
圖13：周期性抖動(dòng)
最后也是最重要的抖動(dòng)成分，數據相關(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的過(guò)程，就是對抗DDJ的過(guò)程。
信號在鏈路上傳輸時(shí)，由于寄生參數的影響，會(huì )有損耗。專(zhuān)業(yè)名詞叫做插入損耗(Insertion Loss)，對應S參數里的傳輸參數S21。傳輸線(xiàn)越長(cháng)，信號頻率越高，損耗越大。對于鏈路上傳輸的數據信號而言，由于不同的碼型對應不同的信號頻率，損耗會(huì )有差異，直觀(guān)來(lái)看就是信號的電平會(huì )呈現不同的幅度。
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，當它傳輸的是1010這樣的碼型，其頻率為5GHZ；而如果傳輸的是1100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(huì )比較低。
信號幅度的差異會(huì )帶來(lái)什么問(wèn)題呢？我們觀(guān)察下圖中的最后一個(gè)下降沿。當它從一個(gè)電平較高的邏輯1回到邏輯0（紅色虛線(xiàn)），或者是從一個(gè)電平較低的邏輯1回到邏輯0(藍色實(shí)線(xiàn))，下降沿的路徑不一樣了。這就導致下降沿過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻出現了不確定性，這就是抖動(dòng)。這種抖動(dòng)成分稱(chēng)之為DDJ或ISI。
圖15：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，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(zhù)傳輸線(xiàn)距離的增加，ISI抖動(dòng)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。
圖16：傳輸線(xiàn)損耗所引起的ISI抖動(dòng)會(huì )導致眼圖惡化
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TekExpress LVDS自動(dòng)測量軟件，涵蓋LVDS時(shí)鐘和數據的30多個(gè)測量項目，一鍵完成一致性測量。
圖17：TekExpress LVDS軟件支持的測量項種類(lèi)齊全
工程師還可以根據規范的要求，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的所有測量項。
圖19 JESD204B測試方案
(作者：泰克科技中國AE Manager，余洋)
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