中国电子技术网

设为首页 网站地图 加入收藏

 
 
  • 首页 > 技术文库 > 【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

关键词:信号链 高速信号 JESD204B 抖动 眼图

时间:2024-03-20 10:42:18      来源:泰克

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。

作者:泰克科技中国AE Manager,余洋

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

了解泰克高速串行通信更多解决方案,https://www.tek.com.cn/solutions ... erial-communication。

  • 分享到:

 

猜你喜欢

  • 主 题:BridgeSwitch-2电机驱动器IC:助力冰箱压缩机逆变器效率超98%,待机功耗低于10mW
  • 时 间:2024.08.13
  • 公 司:PowerInt

  • 主 题:Abracon为工业自动化提供被动元器件方案
  • 时 间:2024.08.20
  • 公 司:Abracon