高速数字信号的眼图和抖动测量技术(基于Keysight示波器测量)

V1.0深圳市飞尔沃科技©1安捷伦仪器与仪表产品培训课程高速数字信号的眼图和抖动测量技术深圳市飞尔沃科技©V1.02第一部分：眼图和抖动测量简介第二部分：眼图测量的操作步骤第三部分：抖动测量的操作步骤第四部分：抖动分解的操作步骤内容纲要深圳市飞尔沃科技©V1.03第一部分：眼图和抖动测量简介V1.0深圳市飞尔沃科技©4数字信号的眼图•数字信号的眼图包含丰富的信息，体现数字信号的整体特征，能够很好的评估数字信号的品质，因而数字信号眼图分析是数字系统信号完整性分析的关键之一。•眼图实际上是一系列数字信号的不同码型按一定的规律在示波器屏幕上累积显示的结果。V1.05眼图的形成DataClock•眼图形成方法1：使用同步时钟触发形成眼图（如左图）•眼图形成方法2：仪器从信号中恢复时钟，按时钟边沿累积显示，形成眼图（如下图）从信号中恢复的时钟V1.06分析波形和分析眼图的区别•信号某些位的波形能够很好的反映波形的细节•眼图能够体现信号的整体特征•某些位波形很好，可以说明数字信号品质没有问题吗？•眼图很好，可以说明数字信号品质没有问题吗？（当然可以）一般的波形信号眼图V1.0深圳市飞尔沃科技©7眼图反映出的信号质量(SI)•显示发送器的综合特征•上升时间和下降时间•过冲,下冲和振铃（回沟）•占空比•抖动和噪声•眼图张开度与抖动和BER相关联•眼图张开越大，表明对噪声和抖动的容许误差越大；•眼图张开越大，表明接收器判断灵敏度越好；•眼顶、眼底和转换区域宽表明接收器判断灵敏度降低抖动噪声眼睛张开V1.0深圳市飞尔沃科技©8(1)GoodEye(2)IncompleteEye(3)Eyewithjitter(4)Eyewithseverejitter同样的信号可能产生不同的眼图V1.0深圳市飞尔沃科技©9眼图测试可以使用串行数据恢复出的眼图，或使用DemoClock或探头补偿信号，上下边沿触发形成简单眼图，打开ColorGrade，测试•眼高•眼宽•抖动•交叉百分比•占空比失真•品质因数V1.0深圳市飞尔沃科技©10眼图模板(Mask)测试•模板测试是一种优化的制造级测试(Pass/Fail)；•大多数情况下，模板测试能代替各种眼图指标的测试；•大部分标准都定义了为容易进行一致性测量的模板；•模板测试比眼图的各种指标测量更容易，更快捷；•模板定义的区域是禁止信号进入的一个区域，有信号进入，说明信号不满足这种模板要求，即Fail。•模板测试功能：•自动产生模板，进行有问题波形的捕获•载入标准模版•自定义模版•对于发生违规bit的定位V1.0深圳市飞尔沃科技©11模板测试违规情况的定位除了显示实时眼图，对于发生触碰眼图模板的情况，还可以展开实时眼图，用于定位故障波形细节，观察发生时间。V1.0深圳市飞尔沃科技©12抖动的概念定义:信号的某特定时刻相对于其理想时间位置上的短期偏离参考:BellCommunicationsResearch,Inc(Bellcore),“SynchrouousOpticalNetwork(SONET)TransportSystems:CommonGenericCriteria,TR-253-CORE”,Issue2,RevNo.1,December1997V1.0深圳市飞尔沃科技©13抖动的常见术语周期抖动(PeriodJitter)•信号周期的差异周期-周期抖动(Cycle-to-CycleJitter)•相邻周期之间的变化时间间隔误差(TimeIntervalError)•相对于理想时钟的时间差异V1.0深圳市飞尔沃科技©14抖动的常见术语抖动测试的衡量方法•平均值(mean)•标准偏差(standarddeviation)•峰-峰值(peaktopeak)V1.0深圳市飞尔沃科技©15P2P3P4P1PeriodJitter=18.3psStdDev(0.990/1.010/0.980/1.020)Cy-CyJitter=36.1psStdDev(0.020/-0.030/0.040)TIE=9.6psStdDev(-0.010/0.000/-0.020/0.000)0.990ns1.010ns0.980ns1.020ns0.0ns0.990ns2.000ns2.980ns4.000ns0.020ns-0.030ns0.040ns-0.010ns0.000ns-0.020nsPeriodCy-CyTIE0.000ns抖动测量举例V1.0深圳市飞尔沃科技©16抖动的组成结构TotalJitter(Tj)总体抖动RandomJitter(Rj)随机抖动DeterministicJitter(Dj)确定性抖动PeriodicJitter(Pj)周期性抖动Data-DependentJitter(DDJ)数据相关抖动Inter-SymbolInterference(ISI)码间干扰DutyCycleDistortion(DCD)占空比失真TotalJitter(TJ)DeterministicJitter(DJ)RandomJitter(RJ)PeriodicJitter(PJ)DataDependentJitter(DDJ)Inter-symbolInterference(ISI)DutyCycleDistortion(DCD)SeparateJitterintoconstituentcomponentsSubRateJitter(SRJ)UncorrelatedPJData-CorrelatedData-Uncorrelated抖动分解的目的：•根据抖动分解结果，依照不同成分的可能原因有针对性的采取措施，减小抖动V1.0深圳市飞尔沃科技©17•随机抖动的统计分布是正态（高斯）分布•由于是高斯分布，所以随机抖动是无边际的•理论上，随机抖动的峰峰值随着测量时间变长而增加•随机抖动的衡量参数是均方差RMS（即s）随机抖动RJRJDJV1.0深圳市飞尔沃科技©18•确定性抖动不是高斯分布，通常是有边际的•直方图=PDF（概率密度函数）•确定性抖动的衡量参数是峰峰值Pk-Pk确定性抖动DJRJDJV1.0深圳市飞尔沃科技©19•TIEvs.time，即时间间隔误差随时间的变化，是一个重复的，周期性波形•效果相当于调频FM•可能的抖动源：电源的EMI干扰、扩频时钟SSC的调制信号周期性抖动PJTIETrend曲线，即TIE随时间变化的曲线，呈现出正弦波特性V1.0深圳市飞尔沃科技©20•不对称的上升边沿速率与下降边沿速率•不适当的判断门限选择占空比失真DCDV1.0深圳市飞尔沃科技©21由于链路的有限带宽，抑制了信号中高频成分的通过•驱动器Driver•对比器Comparator•PCB线路与电缆的散射（衰减、损耗、阻抗不连续性导致的反射）对经常切换的“1,0,1,0,…”的高频信号，衰减比连续的“1,1,1,1,0,0,0,0,…”的低频信号要来得厉害。所以长的连续不变码到达更高的电平，在跳变时需要更多的时间才能到达门限电平，导致信号抖动。因为这个抖动的幅度与码型相关，所以又称码型相关抖动。由于阻抗不匹配，导致信号反射•反射的信号叠加在原来的信号上，导致幅度增加•最终使转换电平所耗费的时间更长，从而产生抖动码间干扰ISIV1.0深圳市飞尔沃科技©22=pdf:Tj=DjRjDj=m+-m-总体抖动TJ基于“双狄拉克模型”，参考应用指南5989-3206EN••若两个变量是独立的,两个独立变量之和的概率密度函数PDF是两者概率密度函数的卷积V1.0深圳市飞尔沃科技©230UI1UISampleTimetJT(t,W,s)t=SampleTime;W=Pk-PkofDj;s=RMSofRj,TD=TransitionDensityofabitJT(t-UI,W,s)Jitterpdfshifted1UILBER(t,W,s)=TD*+tJT(t,W,s)dtRBER(t,W,s)=TD*t-JT(t,W,s)dt+TBER(t,W,s)=LBER(t,W,s)+RBER(t,W,s)由于右边信号跳变所造成的误码由于左边信号跳变所造成的误码考虑一接收器在某一时刻t进行信号取样，错误地读取一个bit而产生误码的概率为：将右边信号跳变误当为左边的而导致误码将左边信号跳变误当为右边的而导致误码眼张开度与误码率V1.0深圳市飞尔沃科技©24•Bathtub曲线的中部大部分地受到Rj的影响•靠向眼睛交叉点较大地受到Dj影响•在既定的BER水平下，Dj的Pk-Pk值与Rj的标准偏差值影响眼睛的张开度Bathtub曲线V1.0深圳市飞尔沃科技©25TJ(BER)的估算ForaBER=10-12JPPRJ=14s…7foreachtailThenJPPRJnsor=nxJrmsRJTheTotalJitter(TJ),JPP,fora10-12BERwithDeterministicJitteristhen:DJPPDJPPRJrmsTJJJJnJs14ThisassumesthattheGaussianRJPDF‘appends’totheDJPDF…theDualDiracAssumptionV1.0深圳市飞尔沃科技©26实时示波器抖动测试分析方案EZJIT通用抖动分析软件•Single-Source•Period•Frequency•Positive/Negativepulsewidth•Dutycycle•Rise/Falltime•Dual-source•Setup/Holdtime•Phase•Clock•Time-intervalerror(TIE)•Cycle-to-cyclejitter•N-cyclejitter•Cycle-cyclepositive/negativepulsewidth•Cycle-cycledutycycle•Data•Time-intervalerror(TIE)•Datarate•UnitIntervalEZJIT+高级抖动分析软件•RJ/DJSeparationComponents•Randomjitter(RJ)•Deterministicjitter(DJ)•Data-dependentjitter–Inter-symbolinterference(ISI)–Dutycycledistortion(DCD)•Periodicjitter–Totaljitteratuser-selectablebiterrorrate–DisplayViews–RJ/PJhistogram–TJhistogram–DDJhistogram–Compositehistogram(TJ,DDJ,RJ/PJ)–Jitterspectrum(zoomable)–DDJvs.bit(forrepeatingpatterns)–Bathtubcurve(eye-openingvs.BER)–。。。V1.0深圳市飞尔沃科技©27EZJIT进行基本的抖动分析SignalTrendHistogramSpectrumV1.0深圳市飞尔沃科技©28EZJIT+进行抖动分解V1.0深圳市飞尔沃科技©29为什么需要时钟恢复数字信号的很多测试测量都需要时钟信息•抖动测试•实时眼图及眼图模板测试•数据的8b/10b解码•串行数据的码型触发V1.0深圳市飞尔沃科技©30通过软件恢复时钟除了被测件直接提供时钟外，也可以采用软件的方式恢复时钟，典型的软件时钟恢复方法有如下几种：•常频方式•可以得到被测信号在所有频率上的所有抖动成分•实例：SSC（扩频时钟）特性、链路发送端测试•PLL（锁相环路）•模拟链路接收端通过硬件PLL恢复时钟后看到的抖动成分•外时钟恢复•被测信号没有使用嵌入式时钟而是具有显性时钟信号•特殊方式•实例：PCIExpress时钟恢复方式V1.0深圳市飞尔沃科技