标签: 码间干扰

前面我们介绍过， 抖动（Jitter）反映的是数字信号偏离其理想位置的时间偏差。高频数字信号的比特周期都非常短，很小的抖动都会造成信号采样位置电平的变化，所以高频数字信号对于抖动都有严格的要求。 高速的串行数字信号对抖动的要求更加严格，同时由于其传输路径比较复杂，中间可能会收到各种因素的影响，所以其总体抖动也可能是由不同的抖动分量组成的，而且不同分量对于系统性能的影响也不一样。因此，很多更高速率的串行信号（通常1Gbps）测试中，除了要知道抖动的均方根值或者峰峰值以外，还会要求对抖动的各个成分进行分解和分析。下面对一些常见的引起信号抖动的原因进行简单介绍。 随机噪声抖动（Random Jitter） 产生抖动的原因有很多，最常见的一种是由于噪声引起的。下图反映的是一个带噪声的数字信号及其判决阈值。一般我们把数字信号超过阈值的状态判决为“1”，把低于阈值的状态判决为“0”，由于信号的上升沿不是无限陡的，所以噪声会引起信号过阈值点时刻的左右变化，这就是由于噪声引起的信号抖动。由于噪声是随机的、无界的，因此造成的随机抖动也是随机的、无界的，也就是说理论上随着样本数的增加随机抖动的峰峰值是无穷大（实际测试中不可能累积到那么大的样本量因此不会出现无穷大的情况），所以通常用随机抖动的RMS值（有效值）而不是峰峰值来衡量随机抖动的大小。理想的随机抖动应该是一个高斯分布，所以有时候也会根据系统误码率的要求来对随机抖动的RMS值乘以一个系数来和确定性抖动一起计算系统的总体抖动。随机抖动的大小取决于系统的噪声，和发送的码型无关，因此早期在没有专门的抖动分解软件时，是让被测件产生一个周期性的0101的码型（这时没有码间干扰抖动）来进行随机抖动的测试。 占空比失真抖动（Duty Cycle Distortion Jitter） 真实的信号在传输过程中，可能由于信号的失真、判决阈值的设置误差或者信号上升/下降时间不对称，造成输出信号的高电平比特和低电平比特的宽度不一样，这就是占空比失真抖动。下图所示就是一种典型的占空比失真抖动。由于边沿的抖动是靠前还是靠后直接和发送的码型是0或者1有关，所以占空比失真抖动属于一种数据相关抖动。早期在没有专门的抖动分解软件时，也是让被测件产生一个周期性的0101的码型（这时没有码间干扰抖动）来进行占空比失真抖动的测试。 码间干扰抖动(ISI Jitter) 高速的数字信号经过传输线传输后，信号的高频分量会丢失，信号的边沿会变形。如果信号的变形比较严重，就会影响到后续信号边沿通过阈值点的时刻，这就是码间干扰造成的抖动。下图是一个码间干扰造成信号的抖动的一个例子。在码间干扰比较严重的情况下，当前比特跳变沿过阈值点的时刻会和前几个比特有关，比如前面是连续的五个连0和只有一个0对于当前比特的影响是不一样的。 码间干扰抖动是主要是由于阻抗不匹配或者传输线带宽不够等因素引起的。由于传输线对于信号中不同频率成分的损耗不一样，所以不同码型的变形程度可能不一样，因而造成的码间干扰抖动的大小也不一样。正因为码间干扰抖动的大小和发出的数据码型有关，所以码间干扰抖动属于一种数据相关的抖动（Data-Dependent Jitter）。下图显示出的是对一个5Gbps的受到严重ISI影响的PRBS7信号进行数据相关抖动分析的结果，可以看到，每个比特对应的数据相关抖动的大小都是不一样的。因此在ISI抖动的测试中一般会使用尽可能随机的PRBS码型。 周期性干扰造成的抖动（Periodic Jitter） 数字电路的工作环境中存在很多周期性的干扰源，比如时钟、开关电源、射频电路等，如果没有做很好的屏蔽和隔离，这些周期性的干扰耦合到信号上，会使得被测信号的跳变沿位置产生周期性的波动。 下图显示的是对一个受到时钟干扰的数字信号进行抖动分析的例子。图中最上面是捕获的一段原始的信号波形，如果不借助抖动分析软件我们很难看出其中细微的抖动变化。从上往下的第二幅图显示的是是抖动分析软件从信号里提取出的其抖动的直方图分布情况。正常的抖动分布应该是个高斯分布，从这个双峰的直方图分布我们可以判断出信号一定是受到了某种特定性的干扰。从上往下的第三幅图显示的是抖动随时间的变化波形，这张图看得更清楚，从中我们看到其抖动变化有一定的周期性，而且接近正弦波的形状，抖动的变化周期大概是40ns。最下面的图是抖动的频谱（注意不是原始信号的频谱），从图中我们可以看到在频谱上有明显的一个峰值出现，这进一步说明信号受到了某种特定频率成分的干扰。通过对抖动的变化波形和抖动的频谱进行测量，我们可以得知这个特定干扰的频率大概是25MHz（周期为40ns），干扰可能来源于板上25MHz的时钟。 实际情况下，周期性抖动可能是各种形状的，比如扩频时钟中常用的三角波、方波、正弦波、锯齿波以及各种形状等。由于正弦波的频谱比较简单，所以很多抖动容限的测试中最常注入的就是正弦波形状的周期性抖动。不同频率的周期性抖动对于数字系统的影响是不一样的。通常的串行总线系统能容忍的低频抖动的幅度比高频抖动要大一些，所以很多串行总线都规定了其接收电路的抖动容忍能力曲线，下图是USB3.0标准里关于接收端对不同频率的抖动容忍能力要求的曲线。

数字信号的频谱是分布很宽的，其最高的频率分量范围主要取决于信号的上升时间而不仅仅是数据速率。当这样高带宽的数字信号在传输时，所面临的第一个挑战就是传输通道对其的影响。 真正的传输通道如PCB、电缆、背板、连接器等的带宽都是有限的，当信号的边沿比较缓的时候，这些带宽的限制对于信号形状的影响不太明显，但是当信号速率提高同时信号的边沿变得更陡时，这些带宽的限制对信号的影响就开始体现出来。带宽限制最直观的表现就是会把原始信号里的高频成分销弱或完全滤掉，在波形上的表现就是信号的边沿变缓、信号上出现过冲或者震荡等。 另外，根据法拉第定律，变化的信号跳变会在导体内产生涡流以抵消电流的变化。电流的变化速率越快（对数字信号来说相当于信号的上升或下降时间越短），导体内的涡流越强烈。当数据速率达到约1Gb/s以上时，导体内信号的电流和感应的电流基本完全抵消，净电流仅被限制在导体的表面上流动，这就是趋肤效应。趋肤效应会减小传输线的有效截面积，从而增大损耗并改变电路阻抗，阻抗的改变会造成信号的反射并改变信号的各次谐波的相位关系，从而造成信号的失真。 除此以外，最常用来制造电路板的FR-4介质是由玻璃纤维编织成的，其均匀性和对称性都比较差，同时FR-4材料的介电常数还和信号频率有关，所以信号中不同频率分量的传输速度也不一样。传输速度的不同会进一步改变信号中各个谐波成分的相位关系，从而使信号更加恶化。 因此，当高速的数字信号在PCB上传输时，信号的高频分量由于损耗会被销弱，各个不同的频率成分会以不同的速度传输并在接收端再叠加在一起，同时又有一部分能量在阻抗不连续点如过孔、连接器或线宽变化的地方产生多次反射，这些效应的组合都会严重改变波形的形状。要对这么复杂的问题进行分析是一个很大的挑战。 值得注意的一点是，信号的幅度衰减、上升/下降时间的改变、传输时延的改变等很多因素都和频率分量有关，不同频率分量受到的影响是不一样的。而对数字信号来说，其频率分量又和信号中传输的数字符号有关（比如0101的码流和0011的码流所代表的频率分量就不一样），所以不同的数字码流在传输中受到的影响都不一样，这就是码间干扰ISI（inter-symbol interference ISI）。下图是一个受到严重码间干扰的高速数字信号的波形。 为了对这么复杂的传输通道进行分析，我们可以通过传输通道的冲击响应来研究其对信号的影响。电路的冲击响应可以通过传输一个窄脉冲得到。理想的窄脉冲应该是宽度无限窄、非常高幅度的一个窄脉冲，当这个窄脉冲沿着传输线传输时，脉冲会被展宽，展宽后的形状和线路的响应有关。从数学上来说，我们可以把通道的冲击响应和输入信号卷积得到经通道传输以后信号的波形。冲击响应还可以通过通道的阶跃响应得到，由于阶跃响应的微分就是冲击响应，所以两者是等价的。 看起来我们好像找到了解决问题的方法，但是，在真实情况下，理想窄的脉冲或者无限陡的阶跃信号是不存在的，不仅难以产生而且精度不好控制，所以在实际测试中更多地是使用正弦波进行测试得到频域响应，并通过相应的物理层测试系统软件进行频域到时域的转换以得到时域响应。相比其它信号，正弦波更容易产生，同时其频率和幅度精度更容易控制。矢量网络分析仪VNA（vector network analyzer）可以在高达几十GHz的频率范围内通过正弦波扫频的方式精确测量传输通道对不同频率的反射和传输特性，动态范围可以达到100dB以上，所以在现代的高速数字信号质量的分析中，会借助于高性能的矢量网络分析仪对高速传输通道的特性进行测量。下图是矢量网络分析仪测到的一段差分传输线的通道损耗及根据这个测量结果分析出的信号眼图。 用矢量网络分析仪（VNA）对数字信号的传输通道进行测量，一方面借鉴了射频微波的分析手段，可以在几十GHz的频率范围内得到非常精确的传输通道的特性；另一方面，通过对测量结果进行一些简单的数学变换，我们就可以分析出通道上的阻抗变化以及对真实信号传输的影响等，从而帮助数字工程师在前期阶段就可以判断出背板、电缆、连接器、PCB等的好坏，而不必等到最后信号出问题时再去匆忙应对。 更多高速测试信息，可关注微信公众号“数字科技”