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【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(dòng)和眼圖

2024-03-26
作者:泰克科技中國AE Manager,,余洋
來源:泰克科技

  做高速的工程師最頭疼的問題就是抖動(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(shè)計(jì)不當(dāng),,都可能會導(dǎo)致抖動(dòng)和眼圖結(jié)果的惡化,,而要解決抖動(dòng)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(dòng)。當(dāng)時(shí)鐘信號或數(shù)據(jù)信號存在較大的抖動(dòng)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)。

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  抖動(dòng)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,。

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  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(xiàng)目,。抖動(dòng)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(dòng),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。

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  圖9:眼圖及其模板

  LVDS和JESD204B規(guī)范里就有抖動(dòng)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,。

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  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(dòng)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(dòng)(Tj, Total Jitter)可以分成以下幾類,。我們通過示波器的抖動(dòng)軟件,,測量出每種抖動(dòng)成分的大小,將最嚴(yán)重的抖動(dòng)成分降低,,總體抖動(dòng)就能降下來了,。

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  圖11:抖動(dòng)的分類

  其中,隨機(jī)抖動(dòng)(Rj, Random Jitter)是由布朗運(yùn)動(dòng)/熱噪聲引起的,,符合高斯正態(tài)分布。隨機(jī)抖動(dòng)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(dòng)可以增加到無窮大。抖動(dòng)分析時(shí),,隨機(jī)抖動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)較大的有源器件,,可以降低系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲,。

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  圖12:隨機(jī)抖動(dòng)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(dòng)對應(yīng)的,,是確定性抖動(dòng)(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(dòng)(PJ, Periodic Jitter )和數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)(DDJ, Data-Dependent Jitter)。

  周期性變化的抖動(dòng),,稱之為周期性抖動(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(diào)制的周期性抖動(dòng),。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(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?dāng)_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)。

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  圖13:周期性抖動(dòng)

  最后也是最重要的抖動(dòng)成分,,數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)(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。

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  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(dòng)。這種抖動(dòng)成分稱之為DDJ或ISI,。

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  圖15:ISI抖動(dòng)形成的原因

  ISI不僅會影響到抖動(dòng),,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(dòng)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。

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  圖16:傳輸線損耗所引起的ISI抖動(dòng)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TekExpress LVDS自動(dòng)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,。

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  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,。

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  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)。

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  圖19 JESD204B測試方案




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