【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

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。

图13：周期性抖动

最后也是最重要的抖动成分，数据相关性抖动(DDj, Data Dependent Jitter)，也叫码间干扰(ISI, Inter-Symbol Interference)。可以说，高速串行通信迭代升级的过程，就是对抗DDJ的过程。

信号在链路上传输时，由于寄生参数的影响，会有损耗。专业名词叫做插入损耗(Insertion Loss)，对应S参数里的传输参数S21。传输线越长，信号频率越高，损耗越大。对于链路上传输的数据信号而言，由于不同的码型对应不同的信号频率，损耗会有差异，直观来看就是信号的电平会呈现不同的幅度。

图14：典型的S21插入损耗。同一信道，对不同频率信号的衰减是不同的

打个比方，一个信号的速率是10Gbps，当它传输的是1010这样的码型，其频率为5GHZ；而如果传输的是1100码型，频率就只有2.5GHZ了。高频衰减更大，因此1010这种码型，信号幅度会比较低。

信号幅度的差异会带来什么问题呢？我们观察下图中的最后一个下降沿。当它从一个电平较高的逻辑1回到逻辑0（红色虚线），或者是从一个电平较低的逻辑1回到逻辑0(蓝色实线)，下降沿的路径不一样了。这就导致下降沿过零点的时刻出现了不确定性，这就是抖动。这种抖动成分称之为DDJ或ISI。

图15：ISI抖动形成的原因

ISI不仅会影响到抖动，也会让眼图恶化。下图是一个高速信号，从发送端，到传输路径中间的测试点，再到接收端的眼图变化。我们看到，随着传输线距离的增加，ISI抖动愈发严重，眼图的眼宽和眼高都明显收窄，甚至到最后眼图完全闭合了。

图16：传输线损耗所引起的ISI抖动会导致眼图恶化

使用泰克实时示波器，测量LVDS或JESD204B非常方便。泰克示波器支持TekExpress LVDS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。

图17：TekExpress LVDS软件支持的测量项种类齐全

工程师还可以根据规范的要求，快速生成自定义眼图模板。

图18：TekExpress LVDS的自定义眼图模板

JESD204B也有成熟的测量方案，基于DPOJET一键完成包括最重要的眼图模板测试在内的所有测量项。

图19 JESD204B测试方案