高速数字信号的眼图和抖动测量
jitter抖动（相位噪声）的概念及其测量方法（EyeDiagram）
抖动的概念及其测量方法摘要：在数字通信系统，特别是同步系统中，随着系统时钟频率的不断提高，时间抖动成为影响通信质量的关键因素。
本文介绍了时间抖动（jitter）的概念及其分析方法。
关键字：时间抖动、jitter、相位噪声、测量一、引言随着通信系统中的时钟速率迈入GHz级，抖动这个在模拟设计中十分关键的因素，也开始在数字设计领域中日益得到人们的重视。
在高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。
不仅如此，它还会导致通信链路的误码率增大，甚至限制A/D转换器的动态范围。
有资料表明在3GHz 以上的系统中，时间抖动（jitter）会导致码间干扰（ISI），造成传输误码率上升。
在此趋势下，高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。
本文向数字设计师们介绍了抖动的基本概念，分析了它对系统性能的影响，并给出了能够将相位抖动降至最低的常用电路技术。
二、时间抖动的概念在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号（以1MHz为例）的持续时间应该恰好是1us，每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是抖动。
抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。
在绝大多数文献和规范中，时间抖动（jitter）被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差，所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走（wander），而将变化较快的成分定义为时间抖（jitter）。
图1 时间抖动示意图1．时间抖动的分类抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动。
确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的，这种抖动通常幅度有限，具备特定的（而非随机的）产生原因，而且不能进行统计分析。
随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。
例如，能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素，就可能造成载子流的随机变化。
信号完整性常用的三种测试方法
信号完整性常用的三种测试方法信号完整性是指在传输过程中信号能够保持原始形态和准确性的程度。
在现代高速通信和数字系统中，信号完整性测试是非常重要的工作，它能够帮助工程师评估信号的稳定性、确定系统的极限速率并发现信号失真的原因。
下面将介绍三种常用的信号完整性测试方法。
一、时域方法时域方法是信号完整性测试中最常见和最直观的方法之一、它通过观察信号在时间轴上的波形变化来评估信号的完整性。
时域方法可以检测和分析许多类型的信号失真，如峰值抖动、时钟漂移、时钟分布、幅度失真等。
时域方法的测试设备通常包括示波器和时域反射仪。
示波器可以显示信号的波形和振幅，通过观察波形的形状和幅度变化来判断信号完整性。
时域反射仪可以测量信号在传输线上的反射程度，从而评估传输线的特性阻抗和匹配度。
二、频域方法频域方法是另一种常用的信号完整性测试方法。
它通过将信号转换为频域表示，分析信号的频谱分布和频率响应来评估信号完整性。
频域方法可以检测和分析信号的频谱泄漏、频谱扩展、频率失真等。
频域方法的测试设备通常包括频谱分析仪和网络分析仪。
频谱分析仪可以显示信号的频谱图和功率谱密度，通过观察频谱的形状和峰值来评估信号完整性。
网络分析仪可以测量信号在不同频率下的响应和传输损耗，从而评估传输线的频率响应和衰减特性。
三、眼图方法眼图方法是一种特殊的信号完整性测试方法，它通过综合时域和频域信息来评估信号的完整性。
眼图是一种二维显示，用于观察信号在传输过程中的失真情况。
眼图可以提供信号的时钟抖动、峰值抖动、眼宽、眼深、眼高等指标。
眼图方法的测试设备通常包括高速数字示波器和信号发生器。
高速数字示波器可以捕捉信号的多个周期，并将其叠加在一起形成眼图。
通过观察眼图的形状和特征，工程师可以评估信号的稳定性和传输质量。
总结起来，时域方法、频域方法和眼图方法是常用的信号完整性测试方法。
它们各自具有独特的优势和适用范围，可以互相协作来全面评估信号的完整性。
在实际应用中，根据具体需求和测试对象的特点，选择合适的测试方法是非常重要的。
Agilent-眼图、抖动、相噪
Agilent——眼图、抖动、相噪随着数据速率超过Gb/s水平，工程师必须能够识别和解决抖动问题。
抖动是在高速数据传输线中导致误码的定时噪声。
如果系统的数据速率提高，在几秒内测得的抖动幅度会大体不变，但在位周期的几分之一时间内测量时，它会随着数据速率成比例提高，进而导致误码。
新兴技术要求误码率(BER)，亦即误码数量与传输的总码数之比，低于一万亿分之一(10-12)。
随着数据通信、总线和底板的数据速率提高，市场上已经出现许多不同的抖动检定技术，这些技术采用各种不同的实验室设备，包括实时数字示波器、取样时间间隔分析仪(TIA)、等时取样示波器、模拟相位检波器和误码率测试仪(BERT)。
为解决高数据速率上难以解决的抖动问题，工程师必需理解同步和异步网络中使用的各种抖动分析技术本文重点介绍3 Gb/s以上新兴技术的数据速率。
低于3 Gb/s的实时示波器可以捕获连续的数据流，可以同时在时域和频域中分析数据流；在更高的数据速率上，抖动分析要更具挑战性。
本文将从数字工程师的角度，介绍应对SONET/SDH挑战的各种经验。
抖动分析基本上包括比较抖动时钟信号和参考时钟信号。
参考时钟是一种单独的黄金标准时钟，或从数据中重建的时钟。
在高数据速率时，分析每个时钟的唯一技术是位检测和误码率测试；其它技术则采用某种取样技术。
如图1所示，眼图是逻辑脉冲的重叠。
它为测量信号质量提供了一种有用的工具，即使在极高的数据速率时，也可以在等时取样示波器上简便生成。
边沿由‘1’到‘0’转换和‘0’到‘1’转换组成，样点位于眼图的中心。
如果电压(或功率)高于样点，则码被标为逻辑‘1’；如果低于样点，则标为‘0’。
系统时钟决定着各个位的样点水平位置。
图1: 具有各项定义的眼图E1是逻辑‘1’的平均电压或功率电平，E0是逻辑‘0’的平均电压或功率电平。
参考点t = 0在左边的交点进行选择，右边的交点及其后是位周期TB。
Eye Crossing Point: 眼图交点Left Edge: 左沿Right Edge: 右沿Nominal Sampling Point: 标称样点幅度噪声可能会导致逻辑‘1’的电压或功率电平垂直波动，低于样点，导致逻辑‘1’码错误地标为逻辑‘0’码，即误码。
信号完整性分析基础系列之一——眼图测量
信号完整性分析基础系列之一——关于眼图测量（上）汪进进美国力科公司深圳代表处内容提要：本文将从作者习惯的无厘头漫话风格起篇，从四个方面介绍了眼图测量的相关知识：一、串行数据的背景知识; 二、眼图的基本概念; 三、眼图测量方法; 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势。
全分为上、下两篇。
上篇包括一、二部分。
下篇包括三、四部分。
您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。
在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。
您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。
很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。
这种对于Sigtest的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。
在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。
那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。
之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。
刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。
网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。
“在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。
为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。
如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。
12gsdi 抖动测试标准
12gsdi 抖动测试标准
关于12G-SDI抖动测试标准，这是一个涉及到视频信号传输的技术标准。
12G-SDI是一种视频传输接口标准，它支持高达12Gbps 的数据传输速率，通常用于4K和超高清视频的传输。
抖动测试是为了确保在12G-SDI接口传输过程中信号的稳定性和可靠性。
在进行12G-SDI抖动测试时，通常会考虑以下几个方面：
1. 时钟抖动测试，时钟抖动是指时钟信号的波动或不稳定性，会影响到数据的传输和接收。
时钟抖动测试旨在评估时钟信号的稳定性，通常会使用特定的仪器和测试方法来进行测量和分析。
2. 数据抖动测试，数据抖动是指数据信号在传输过程中由于各种因素导致的波动或失真。
数据抖动测试旨在评估数据信号的传输质量，包括数据的完整性和准确性。
3. 眼图测试，眼图测试是一种常见的测试方法，用于评估数字信号的质量。
通过观察眼图可以了解信号的稳定性和传输质量，从而判断信号是否符合规定的标准。
此外，抖动测试还可能涉及到信号的频率响应、串扰和噪声等方面的测试，以全面评估12G-SDI接口的性能。
总的来说，12G-SDI抖动测试标准旨在确保视频信号在传输过程中的稳定性和可靠性，以满足高清视频传输的要求。
通过严格的测试和评估，可以保证12G-SDI接口在实际应用中能够达到预期的传输效果，从而提供优质的视频传输体验。
高速信号常见问题分析(二)
高速信号常见问题分析（二）--------高速信号线跨沟对眼图抖动的影响分析胡为东美国力科公司上海代表处【摘要】本文简单介绍了高速信号跨沟及回流的概念，并结合实际测试分析高速信号线发生跨沟现象时，高速信号的眼图、抖动以及频谱能量等有何变化。
【关键词】高速信号跨沟力科示波器眼图抖动一、高速信号跨沟及信号回流的基本概念下图1所示为一个信号流向及其回流示意图。
基于基尔霍夫定律，电流是闭环的，也就是说任意一个电路的节点只要有电流流出就一定会有电流流入，返回到节点（通常是驱动器）的电流通常就叫返回电流。
，且高频电流总是沿着最小的环路面积移动，高频返回电流通常是沿着阻抗最小的路径返回。
对于一个同轴电缆，其芯线为电流流动路径，而外壳的地就是返回电流的流动路径，所谓信号跨沟也就是返回电流的路径被断开或者是有部分沟槽；对于一个PCB板上的高速传输线来说，其电流流动路径为PCB板上的传输线，电流返回路径通常为与传输线相邻的地平面或者电源平面层（也称为传输线的参考平面），当与传输线相邻的参考平面层有沟槽等不完整现象时，返回电流的路径就可能被破坏，这时候也称高速信号跨沟。
如图1所示，当返回电流路径被断开或者被沟槽阻隔时通常称为高速信号跨沟。
图1 信号流向及回流路径示意图当高速信号发生跨沟现象时，整个电流的环路面积将增加，通常系统的EMC辐射也将增加。
同时传输线的特征阻抗也将发生变化（如下图2所示为信号线阻抗变化曲线），信号遇到传输线特征阻抗突变点时将发生发射、振铃等信号完整性问题。
图2 Lecroy WE100H-TDR测得的PCB传输线阻抗变化示意图那么高速信号跨沟对信号的眼图、抖动、上升时间等影响是否很大呢？下面我们使用Lecroy的最新款示波器WP760 ZI 来实测下一个3.125Gb/s的XAUI信号跨越分割平面后的眼图、抖动、频谱等参数变化情况以及一个快沿信号（Lecroy的WP760 ZI自带有一个SMA输出接口可以发出一个上升时间为70ps左右（20%-80%），见下图3），可以很方便的用作快沿调试信号。
一文看懂数字定时：时钟信号、抖动、迟滞和眼图
一文看懂数字定时：时钟信号、抖动、迟滞和眼图通过本文可以了解时钟信号的数字定时以及诸如抖动、漂移、上升时间、下降时间、稳定时间、迟滞和眼图等常用术语。
本教程是仪器基础教程系列的一部分。
1. 时钟信号发送数字信号其实发送的就是一串由0或1组成的数字序列。
然而，与不同设备进行通信时，定时信息要与发送的位相关联。
数字波形作为时钟信号的参考。
您可以将时钟信号看成是一个指挥者，它为数字电路系统的各个部分提供定时信号，使每个过程都可在精确的时间点触发。
时钟信号是具有固定周期的方波。
周期是指一个时钟边沿到下一个同类时钟边沿之间的时间间隔，最常用的方式是一个上升沿到下一个上升沿之间的时间间隔。
时钟的频率等于时钟周期的倒数。
图1. 数字波形作为时钟信号的参考，时钟信号具有固定周期，在数据传输过程中用固定的时间间隔来同步数字信号发射器和接收器。
时钟信号的占空比是波形处于所占的时间比。
图2展示了两个具有不同占空比的波形的区别您可以发现占空比为30%的波形处于的时间少于占空比为50%的波形。
图2.信号的占空比是指波形处于的时间百分比。
时钟信号用于在数据传输过程中同步数字信号发射器和接收器。
比如，发射器可以在时钟信号的每个上升沿发送一个数据位，接收器可使用相同的时钟读取数据。
在这种情况下，设备的确定边沿是上升沿(从低电平到高电平)。
对于其他设备则可能是下降沿(从高电平到低电平)。
时钟的确定边沿又称为有效时钟边沿。
数字信号发射器在每个有效时钟边沿触发新的数据发送，而接收器则在每个有效时钟边沿上进行采样。
后来的设备开始同时使用时钟的上升验和下降沿;这种设备被称为双倍数据速率传输(DDR)设备。
事实上，数据传输对于有效边沿有短暂的短延;这种延时称为时钟到输出时间。
当接收器依据采集时钟接收数据时，我们需要注意两个定时参数，以确保接收数据的可靠性。
建立时间(ts)是指数据连续处于有效逻辑电平且接收器准备好接收输入信号所需的时间。
保持时间(tH)是指接收器采样后，数据发生变化前需要保持在原有状态的时间。
Agilent——眼图、抖动、相噪
Agilent——眼图、抖动、相噪2009-02-25 22:31随着数据速率超过Gb/s水平，工程师必须能够识别和解决抖动问题。
抖动是在高速数据传输线中导致误码的定时噪声。
如果系统的数据速率提高，在几秒内测得的抖动幅度会大体不变，但在位周期的几分之一时间内测量时，它会随着数据速率成比例提高，进而导致误码。
新兴技术要求误码率(BER)，亦即误码数量与传输的总码数之比，低于一万亿分之一(10-12)。
随着数据通信、总线和底板的数据速率提高，市场上已经出现许多不同的抖动检定技术，这些技术采用各种不同的实验室设备，包括实时数字示波器、取样时间间隔分析仪(TIA)、等时取样示波器、模拟相位检波器和误码率测试仪(BERT)。
为解决高数据速率上难以解决的抖动问题，工程师必需理解同步和异步网络中使用的各种抖动分析技术本文重点介绍3 Gb/s以上新兴技术的数据速率。
低于3 Gb/s的实时示波器可以捕获连续的数据流，可以同时在时域和频域中分析数据流；在更高的数据速率上，抖动分析要更具挑战性。
本文将从数字工程师的角度，介绍应对SONET/SDH挑战的各种经验。
抖动分析基本上包括比较抖动时钟信号和参考时钟信号。
参考时钟是一种单独的黄金标准时钟，或从数据中重建的时钟。
在高数据速率时，分析每个时钟的唯一技术是位检测和误码率测试；其它技术则采用某种取样技术。
如图1所示，眼图是逻辑脉冲的重叠。
它为测量信号质量提供了一种有用的工具，即使在极高的数据速率时，也可以在等时取样示波器上简便生成。
边沿由‘1’到‘0’转换和‘0’到‘1’转换组成，样点位于眼图的中心。
如果电压(或功率)高于样点，则码被标为逻辑‘1’；如果低于样点，则标为‘0’。
系统时钟决定着各个位的样点水平位置。
图1: 具有各项定义的眼图E1是逻辑‘1’的平均电压或功率电平，E0是逻辑‘0’的平均电压或功率电平。
参考点t = 0在左边的交点进行选择，右边的交点及其后是位周期TB。
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Total Jitter (TJ)
Data-Uncorrelated
Deterministic Jitter (DJ) Periodic Jitter (PJ) Sub Rate Jitter (SRJ)
Random Jitter (RJ)
Data Dependent Jitter (DDJ) Inter-symbol Interference (ISI)
高速数字信号的 眼图和抖动测量技术
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V 1.0
1
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。
• 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：PCI Express时钟恢复方式
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V 1.0
17
PLL带宽对抖动测量的影响
抖动传递函数JTF：恢复时钟中的抖动与输入信号中抖动之比
V 1.0
14
Bathtub曲线
• 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PkPk值与Rj的标准偏差值影响眼 睛的张开度
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V 1.0
15
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
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V 1.0
13
码间干扰ISI
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
Periodic Jitter (Pj) 周期性抖动 Data-Dependent Jitter(DDJ)数据相关抖动
Inter-Symbol Interference (ISI)码间干扰 Duty Cycle Distortion (DCD)占空比失真
Separate Jitter into constituent components
• 眼高 • 眼宽 • 抖动 • 交叉百分比 • 占空比失真 • 品质因数
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V 1.0
6
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：
V 1.0
19
Output jitter Input jitter More jitter passed onto clock Close to a pure clock
Jitter Frequency
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V 1.0
18
PLL带宽对抖动测量的影响实例
Wide bandwidth clock recovery 8MHz BW
•
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
V 1.0
7
• • •
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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。
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V 1.0
8
抖动的概念
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V 1.0
2
眼图的形成
• 眼图形成方法1：
Data
使用同步时钟触发形成眼图 （如左图）
Clock
• 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
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V 1.0
3
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
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Hale Waihona Puke Duty Cycle Distortion (DCD)
Uncorrelated PJ
V 1.0
10
随机抖动RJ
• 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）
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: Bell Communications Research, Inc (Bellcore), “Synchrouous Optical Network (SONET) Transport Systems: Common Generic Criteria, TR-253-CORE”, Issue 2, Rev No. 1, December 1997
( 2 ) Incomplete Eye
( 3 ) Eye with jitter
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V 1.0
( 4 ) Eye with severe jitter
5
眼图测试
可以使用串行数据恢复出的眼图，或使用Demo Clock或探头补 偿信号，上下边沿触发形成简单眼图，打开Color Grade，测 试
• 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
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V 1.0
16
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
Jitter on data and clock common mode out Jitter appears better than actual
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Narrow bandwidth clock recovery 50KHz BW
Jitter on clock is diminished Jitter on data is measured
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
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V 1.0
9
抖动的组成结构
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
Total Jitter (Tj)总体抖动
Random Jitter (Rj) 随机抖动
Deterministic Jitter (Dj) 确定性抖动
DJ
RJ
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V 1.0
11
确定性抖动DJ
• 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
DJ
RJ
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V 1.0
12
占空比失真DCD
• 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
眼睛 张开 抖动 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
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V 1.0
4
同样的信号可能产生不同的眼图
( 1 ) Good Eye