高速信號在電子領域涉及應用的非常廣泛，常見的有USB、PCIe、SATA、MIPI等，它們在不同場景下發揮著關鍵作用。
針對高速信號有時域、頻域、 抖動測試時常分不清其中的概念，具體怎么上手量測和選擇什么儀器更是一頭霧水。
芯科技圈從高速信號的概念、測試內容、量測儀器等出發，逐一解答大家心中的疑惑！
1. 時域測試
概念：在時間軸上觀察和分析信號的電壓隨時間的變化。關注信號的實時波形特性，如上升時間、下降時間、過沖、下沖、振鈴、占空比失真、眼圖、比特序列波形等。是直觀觀察信號變化行為直接的方式。
主要測試內容：
（1）波形參數測量
上升/下降時間：通常采用20%-80%或10%-90%標準測量，PCIe4.0要求上升時間在15-30ps范圍內。
過沖/下沖：一般限制在信號擺幅的20%以內（對標稱值來說），過大會導致器件可靠性問題。
占空比失真：反映高低電平持續時間的不對稱性，DDR5規范要求不超過±2%。
（2）時序測量
包括建立時間(Tsetup)、保持時間(Thold)、時鐘-數據偏斜等。HDMI2.1要求數據相對于時鐘的偏斜不超過0.15UI（UI:Unit Interval 單位間隔）。
（3）眼圖分析
將多個比特重復周期的波形疊加顯示形成的“眼睛”狀圖形。關鍵指標包括眼高、眼寬、眼圖張開度、抖動（通過眼圖邊緣觀察）、幅度噪聲等。眼圖是評估信號整體質量的黃金標準。
垂直開口高度至少達到信號幅度的70%。水平開口寬度不少于單位(UI)的60%。交叉點畫中在中間位置，高散度小。在USB3.2 Gen 2x2 (20Gbps)測試中，規范要求眼圖水平開口不得小于0.4UI，垂直開口不得低于120mV。
主要測試儀器：
實時示波器： 這是時域測試的核心工具。
關鍵參數： 帶寬、采樣率、存儲深度、垂直分辨率、本底噪聲、抖動底噪。
示波器主流廠商及高端型號 ：
Keysight (是德科技)： Infiniium UXR 系列 (業界最高帶寬，可達110 GHz+), Infiniium V 系列, Infiniium Z 系列。
Tektronix (泰克)： DPO70000SX 系列 (最高可達70 GHz+), 6 Series MSO (最高可達25 GHz)。
Rohde & Schwarz (羅德與施瓦茨)： RTP 系列 (最高可達16 GHz), RTO6 系列 (最高可達6 GHz) - 以高分辨率ADC和優秀用戶體驗著稱。
國外主流廠商： Keysight (86100D + 模塊，如N1046A), Tektronix (DSA8300 + 模塊)。
國外主流廠商： Keysight (M8040A 系列), Anritsu (MP1900A 系列), Tektronix (BERTScope 系列, 如BSA286C)。
使用高質量差分探頭探頭或連接器將信號接入示波器。
設置合適的垂直刻度（電壓范圍）、水平刻度（時基）和觸發條件。
捕獲波形進行參數測量，或捕獲足夠長的數據流生成眼圖。
應用測量軟件進行自動化分析（如眼圖參數、模板測試、抖動分析）。
對于BER測試，BERT發送測試碼型，DUT接收后輸出給BERT檢測誤碼，或BERT發送，DUT環回，BERT檢測誤碼。現在很多誤碼率測試儀有集成了自動化分析BERT的軟件，還比較容易上手。
測試難點：
探頭/夾具效應： 探頭和夾具會引入負載效應（容性/感性負載）、損耗、反射和阻抗不連續，嚴重失真被測信號。需使用超寬帶、低負載、阻抗匹配良好的探頭和精心設計的夾具。
儀器帶寬與采樣率限制： 測量上升時間等快速邊沿需要足夠高的帶寬（通常 > 0.35 / Tr）和高采樣率（要求 > 4x 帶寬）才能保證精度。測量高速信號（如56G/112G PAM4）需要極高帶寬（>50 GHz）的示波器。
噪聲與抖動底噪： 示波器自身的本底噪聲和抖動會影響對小信號幅度噪聲和抖動的精確測量。低噪聲設計至關重要。
信號接入： 在密集的PCB上安全、可靠地接入高速信號點本身就是挑戰，特別是共地層的選擇尤為關鍵。
數據處理： 生成高分辨率眼圖或進行復雜抖動分析需要處理海量數據，對儀器處理能力和系統應用軟件提出了更高的要求。
概念：將信號從時間域轉換到頻率域進行分析。觀察信號的頻譜分布，分析其頻率成分、諧波、噪聲基底、雜散信號等。
用于評估信道（如PCB走線、電纜、連接器）的頻率響應特性（插入損耗、回波損耗、串擾）。
主要測試內容：
（1）S參數測試
插入損耗(S21):反映信號通過傳輸通道后的衰減程度。PCle 5.0在14GHz處的插入損耗要求不超過-25dB
回波損耗(S11/S22): 信號在傳輸過程中因阻抗不匹配而反射回源端的能量大，一般要求-10dB以上
模式轉換參數(SDC/SCD):信號到差分轉換/差分到共模轉換，指信號在傳輸過程中，由于系統非理想性（如阻抗不對稱、結構不均衡等）導致的信號模式（差分模式與共模模式）之間的能量轉換現象評估差分信號轉化為共模信號的程度
采用時域反射計(TDR)測量
單端阻抗通常為50Ω
差分阻抗根據標準不同(USB為90Ω，PCle為85Ω)
阻抗突變應控制在±10%范圍內
電源噪聲在目標頻段(如DDR4的1.6GHz)應低于30mV
電磁干擾（EMI）需滿足相關輻射標準
主要測試儀器：
矢量網絡分析儀： 這是頻域測試，尤其是S參數測量的核心工具。
關鍵參數： 頻率范圍、動態范圍、軌跡噪聲、端口數量、校準套件。
國外主流廠商及高端型號 (舉例)：
Keysight： PNA/PNA-X 系列 (如N5245B, 最高可達67 GHz), ENA 系列 (經濟型)。
Rohde & Schwarz： ZNA 系列 (最高可達67 GHz), ZNB 系列 (最高可達40 GHz)。
Anritsu： VectorStar 系列 (最高可達145 GHz), ShockLine 系列 (經濟型)。
頻譜分析儀： 主要用于觀察信號和噪聲的頻譜分布，測量諧波、雜散、相位噪聲。
國外主流廠商： Keysight (X 系列, 如N9041B), Rohde & Schwarz (FSW 系列 - 高端信號與頻譜分析儀，FPS 系列 - 經濟型), Tektronix (RSA 系列)。
使用示波器時域和頻域（FFT）測試TDD寬帶調制信號的跡線，如下圖所示。
圖： 示波器測試TDD寬帶調制信號的時域（上面）和頻域（下面）
VNA測量S參數：
使用校準套件（如SOLT, TRL）對VNA進行精確校準，消除系統誤差。
將被測信道（DUT）連接到VNA的端口。
設置掃描頻率范圍、掃描點數、中頻帶寬等參數。
執行掃描，獲取S參數數據（S11, S21, S12, S22等）。
使用軟件分析S參數（查看插入損耗曲線、Smith圓圖）。
頻譜分析儀測量：
將信號接入頻譜儀。
設置中心頻率、掃寬、分辨率帶寬、視頻帶寬等。
觀察頻譜，進行標記測量（幅度、頻率）。
相位噪聲測量通常需要專用選件和測量方法（如PLL源比較法）。
校準精度： VNA測量的準確性極度依賴校準。校準套件的質量、校準步驟的規范性、連接器的重復性都至關重要。TRL校準需要精確制作校準件。
高動態范圍要求： 測量深度的插入損耗（如長電纜）或微弱的串擾信號需要VNA有極高的動態范圍。
相位噪聲測量： 測量極低相位噪聲信號需要高性能參考源和低噪聲頻譜儀。
3. 抖動測試
概念：抖動是數字信號邊沿相對于其理想時間位置的時間偏差。是高速信號時序誤差的主要來源，直接影響系統誤碼率和穩定性。抖動需要被分解為不同的成分，以識別其來源并采取針對性措施。
抖動是高速數字系統最難控制的參數之一，直接影響誤碼率性能。
主要抖動成分：
總抖動： 在特定BER水平下觀察到的峰峰值抖動。
隨機抖動： 由熱噪聲、散粒噪聲等不可預測的物理機制引起，具有高斯分布特性，理論上無界。通常用RMS值表示。
確定性抖動： 由可識別的干擾源引起，有界。進一步細分為：
周期性抖動： 由周期性干擾源（如開關電源噪聲、時鐘串擾）引起。
有界不相關抖動： 由數據相關機制引起，如碼間干擾、占空比失真。
正弦抖動： 用于測試系統抖動容限的標準抖動類型。
數據相關抖動： 與傳輸的比特模式相關的抖動，是DJ的一種主要表現形式。
(1)抖動分類與測量
抖動類型 | 特性 | 典型測量方法 |
隨機抖動(RJ) | 高斯分布，無界 | 尾部擬合(Tail Fit) |
確定性抖動(DJ) | 有界，可預測 | 頻譜分析，雙狄拉克模型 |
周期性抖動(PJ) | 與特定頻率相關 | FFT分析 |
數據相關抖動(DDJ) | 與數據模式相關 | 位模式分析 |
（2）抖動傳遞函數（JTF）
分析時鐘和數據路徑的抖動傳遞特性:
高頻抖動通常會被PLL濾除
低頻抖動將直接影響系統時序裕量
（3）先進抖動分析技術
抖動分解:將總體抖動(TJ)分解為各個分量
抖動追蹤:關聯抖動源與系統性能
PAM4抖動分析:需考慮符號間干擾(ISI)帶來的額外抖動
主要測試內容：
抖動分解： 將TJ分解為RJ和DJ，估算TJ在特定BER下的值（通常使用雙狄拉克模型或TailFit方法）。
抖動頻譜分析： 分析抖動的頻率分布，識別周期性成分的來源。
各分量抖動測量： RJ(RMS), DJ(峰峰值), PJ(峰峰值), DCD(峰峰值)。
眼圖時間裕量： 通過眼圖測量水平方向的張開度（眼寬）。
抖動容限測試： 向系統注入可控的抖動（通常是SJ），測量系統在出現誤碼前能容忍的最大抖動幅度（按頻率掃描）。這是接收機測試的關鍵。
主要測試儀器：
高性能實時示波器： 最常用的抖動測試工具，提供全面的抖動分解和分析功能。
關鍵要求： 極低的固有抖動（抖動底噪）、高采樣率、大存儲深度、強大的抖動分析軟件。
國外主流廠商： Keysight (UXR, V, Z 系列示波器 + 高級抖動分析軟件如N8833A/N8834B), Tektronix (DPO70000SX, 6 Series + DPOJET), R&S (RTP/RTO6 + 抖動分析選件)。
采樣示波器： 提供極低的抖動底噪和極高的帶寬，特別適合精確測量高速信號的固有抖動（尤其是RJ）和生成高質量眼圖。通常需要外部觸發時鐘。
比特誤碼率測試儀： 用于進行抖動容限測試的關鍵設備。高端BERT內置精密抖動源（SJ, RJ, SSC, BUJ）和抖動調制功能，并能精確測量注入的抖動量和檢測誤碼。
國外主流廠商： Keysight (M8040A 高性能BERT), Anritsu (MP1900A 信號質量分析儀/BERT), Tektronix (BERTScope BSA286C)。
測試方法：
示波器法：
捕獲長數據記錄（通常需要幾十萬到幾百萬個UI）。
使用時鐘恢復軟件（CDR）從數據中恢復出參考時鐘（需符合被測接口的CDR模型）。
測量每個邊沿相對于恢復時鐘的偏差（TIE - 時間間隔誤差）。
對TIE數據序列進行統計分析（直方圖、頻譜分析等），應用抖動分解算法（如雙狄拉克模型）分離RJ和DJ，外推計算TJ@BER。
BERT抖動容限法：
BERT生成帶抖動的測試碼型注入到DUT（通常是接收機）。
DUT輸出數據環回給BERT或由BERT直接檢測接收性能。
逐漸增大注入抖動（通常SJ按頻率點掃描）直至檢測到誤碼率達到閾值。
記錄每個頻率點下不引起BER超標的最大可容忍抖動幅度，形成抖動容限曲線。
測試難點：
精確的時鐘恢復： 抖動測量的核心難點。恢復時鐘的帶寬、階躍響應、相位模型必須與被測系統實際使用的CDR（時鐘數據恢復電路）嚴格匹配，否則測量結果會偏離實際情況。
抖動分離模型的準確性： 雙狄拉克模型是經驗模型，在某些情況下（如RJ非高斯、DJ分布有重尾）可能不夠準確。TailFit等方法旨在改進，但仍非完美。
低抖動測量： 測量非常小的RJ (<100 fs RMS) 要求示波器或采樣器具有極低的固有抖動底噪。
長數據記錄要求： 精確測量小概率事件的TJ（如TJ@1E-12 BER）需要捕獲和分析非常長的數據記錄，對儀器存儲深度和處理能力要求極高。
抖動容限測試的復雜性： 需要精確控制注入抖動的類型、幅度和頻率，并準確檢測BER，測試時間長，配置復雜。
注意一點： 不同儀器（示波器 vs BERT）或不同分析方法測得的抖動結果可能存在差異，給問題定位帶來困擾。
圖：頻譜分析儀和示波器在時域和頻域差異
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