原创 网络仪在信号完整性中的应用(2)-Jitter分析

Jitter是数字信号传输的一个重要指标。Jitter是由多种类型的分类构成，下图是一个典型的传输系统，

Figure1
该系统的

Jitter由以下几个部分构成，

Figure2

下面是某厂商高速PCI设计方案中的Jitter分配指标，

Figure3
安捷伦有一个

Jitter解决方案，如下图，

Figure4

这个解决方案在系统设计中是无可比拟的，脉冲源

81134可以产生上升沿到ps级别的脉冲信号，函数发生器33250可以模仿干扰信号来控制脉冲源的delay control输入，而DCA-J示波器则可以对测得的Jitter进行分解，得出各Jitter分量，从而让系统设计工程师了解各分系统对总Jitter的贡献。
此方案对于系统工程师可谓最佳选择，但是这个世界是矛盾的，全了就没有办法精，全面测量了Jitter就无法精确了解到底有多少Jitter是有传输线路引起的。有位信号完整性专家曾经这么比喻，信号完整性好比开车在高速公路上，车重要，路的质量同样重要。这个所谓的路，对应于电子系统中的传输器件如高速背板，电缆等。对于器件制造者来说，系统设计不是自己的职责，而自己的器件性能才是最重要的。那我们能否再用上面的系统来测试自己的器件对Jitter的影响呢，答案是，能但不是最精确的。如何最精确呢，网络分析仪+PLTS/ADS/MATLAB中的任一软件。为什么网络仪测的最准，一言以蔽之，传输线路引起的Jitter是线路本省的物理特性引起的，而网络仪可以精确的测量器件特性。从具体技术细节上来说有多方面。

首先来看我们如何测得器件引起的Jitter。测量之前，一定要先对网络分析仪做校准，没有一个准确的校准，一切测量都是枉然。测量时，将器件的输入输出连接到网络仪的各端口。目前的高速背板都是差分线传输，即两个网络仪端口连输入，两个端口连输出，所测得的是混合S参数。但是基本分析原理是一样的。做信号完整性分析需要时域数据，所以起始和终止频率以及测量点数要选择得当。一般来说，点越多越好，点越多，可供分析的样本越多；终止频率越高越好，这样可以有更细的时间分辨率；同时最好满足 终止频率=（点数-1）*起始频率，这样可以在做反傅利叶变换时免去插值的麻烦。见下面的连接和测得的S参数。

得到

S参数后我们就可以来做分析了，因为我们是用来做Jitter分析的，就不在频域做更多讨论，直接把测得的S21做反傅里叶变换。我们知道在频域，输出信号

Fout(w) = Fin(w).S21(w). 公式1

其中w代表频率。
对应到时域

Tout（t）= Tin（t）*h(t). 公式2

 *代表卷积。其中h（t）就是S21的反傅立叶变换。
如果完全套用反傅立叶变换公式，把S21直接换到时域，得出的结果往往是不对的，主要原因是因为直流点的内插和高频部分的限带，这就是另外一个比较深入的话题，因果性和无源性问题。我们先不对这个话题讨论。如果我们已经完成了因果性和无源性的处理，反傅立叶变换后得到了如下结果，

Figure5

我们知道一个理想无损的h（t）应该如下图，没有过冲下冲和延时，

Figure6

而我们现实中的器件由于阻抗的不连续而使传输特性发生畸变。正是这些畸变造成了传输信号的幅度失真。

那么如何量化Jitter指标呢？根据公式2，如果Tin是个完美的信号，那么Tout对以Tin在边沿的抖动即为所求的Jitter。现实中不可能产生一个完美的输入信号，但是在数学上实现是太容易不过了。我们产生一个如下图的码流，然后代入公式2，于是得到了Tout，

Figure7

我们将Tout的所有的信号全部显示在一个码元周期内，得到下图，

Figure8

是不是很面熟的图啊，不错，这就是著名的眼图。知道了眼图，我们可以通过交叉点得到量化的Jitter.

好了，到这里我们知道了为什么网络分析仪可以测得最准确的传输过程Jitter。首先，h（t）只有用校准过的网络分析仪才能准确测得，如果用脉冲发生器加示波器的方法，仪器和导线的失配都被带进了测量中。其次，脉冲发生器所产生的信号虽然有ps级别的上升沿，但毕竟是有误差的，而用网络仪加数学分析的方法可以使用真正理想的输入信号。
为了验证这个计算出的Jitter的准确性，我采用一种方法，就是不断的改进脉冲发生器和示波器的匹配，不断更换更短更高性能的电缆，实验证明，测得的Jitter在不断的向我们计算的Jitter靠近，这从侧面证明网分析仪加分析所得到的Jitter是最准确的。

当然，我们算出的这个理想值是在完全匹配的假设下得到的。对于真实情况中的失配情况，我们可以借助于ADS中的分析功能来实现。如有朋友对此仿真有兴趣，我会在稍后介绍。