信號完整性分析基礎系列之一 ――關(guān)于眼圖測量(上)
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您相信嗎？在長(cháng)期的培訓和技術(shù)支持工作中，我們發(fā)現很少有工程師能完整地準確地理解眼圖的測量原理。很多工程師們往往滿(mǎn)足于各種標準權威機構提供的測量向導，Step by Step，滿(mǎn)足于用“萬(wàn)能”的Sigtest軟件測量出來(lái)的眼圖給出的Pass or Fail結論。這種對于Sigtest的迷戀甚至使有些工程師忘記了眼圖是可以作為一項重要的調試工具的。
在我2004年來(lái)力科面試前，我也從來(lái)沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)眼圖。 那天面試時(shí)，老板反復強調力科在眼圖測量方面的優(yōu)勢，但我不知所云。 之后我Google“眼圖”，看到網(wǎng)絡(luò )上有限的幾篇文章，但仍不知所云。剛剛我再次Google“眼圖”，仍然沒(méi)有找到哪怕一篇文章講透了眼圖測量。
網(wǎng)絡(luò )上搜到的關(guān)于眼圖的文字，出現頻率最多的如下，表達得似乎非常地專(zhuān)業(yè)，但卻在拒絕我們的閱讀興趣。
“在實(shí)際數字互連系統中，完全消除碼間串擾是十分困難的，而碼間串擾對誤碼率的影響目前尚無(wú)法找到數學(xué)上便于處理的統計規律，還不能進(jìn)行準確計算。為了衡量基帶傳輸系統的性能優(yōu)劣，在實(shí)驗室中，通常用示波器觀(guān)察接收信號波形的方法來(lái)分析碼間串擾和噪聲對系統性能的影響，這就是眼圖分析法。
如果將輸入波形輸入示波器的Y軸，并且當示波器的水平掃描周期和碼元定時(shí)同步時(shí)，適當調整相位，使波形的中心對準取樣時(shí)刻，在示波器上顯示的圖形很象人的眼睛，因此被稱(chēng)為眼圖（Eye Map）。
二進(jìn)制信號傳輸時(shí)的眼圖只有一只“眼睛”，當傳輸三元碼時(shí)，會(huì )顯示兩只“眼睛”。眼圖是由各段碼元波形疊加而成的，眼圖中央的垂直線(xiàn)表示最佳抽樣時(shí)刻，位于兩峰值中間的水平線(xiàn)是判決門(mén)限電平。
在無(wú)碼間串擾和噪聲的理想情況下，波形無(wú)失真，每個(gè)碼元將重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線(xiàn)又細又清晰的“眼睛”，“眼”開(kāi)啟得最大。當有碼間串擾時(shí)，波形失真，碼元不完全重合，眼圖的跡線(xiàn)就會(huì )不清晰，引起“眼”部分閉合。若再加上噪聲的影響，則使眼圖的線(xiàn)條變得模糊，“眼”開(kāi)啟得小了，因此，“眼”張開(kāi)的大小表示了失真的程度，反映了碼間串擾的強弱。由此可知，眼圖能直觀(guān)地表明碼間串擾和噪聲的影響，可評價(jià)一個(gè)基帶傳輸系統性能的優(yōu)劣。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾和改善系統的傳輸性能。 通常眼圖可以用下圖所示的圖形來(lái)描述，由此圖可以看出：
（1）眼圖張開(kāi)的寬度決定了接收波形可以不受串擾影響而抽樣再生的時(shí)間間隔。顯然，最佳抽樣時(shí)刻應選在眼睛張開(kāi)最大的時(shí)刻。
（2）眼圖斜邊的斜率，表示系統對定時(shí)抖動(dòng)（或誤差）的靈敏度，斜率越大，系統對定時(shí)抖動(dòng)越敏感。
圖一 眼圖
（3）眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號零點(diǎn)的變化范圍，稱(chēng)為零點(diǎn)失真量，在許多接收設備中，定時(shí)信息是由信號零點(diǎn)位置來(lái)提取的，對于這種設備零點(diǎn)失真量很重要。
(4）在抽樣時(shí)刻，陰影區的垂直寬度表示最大信號失真量。
（5）在抽樣時(shí)刻上、下兩陰影區間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時(shí)值超過(guò)它就有可能發(fā)生錯誤判決。
（6）橫軸對應判決門(mén)限電平。 ”
是該專(zhuān)門(mén)寫(xiě)篇文章詳細講解眼圖了！寫(xiě)得不正確、不到位的地方，懇請大家指正，以使這篇文章將能不斷修改完善，有益于廣大工程師們的學(xué)習。
一、串行數據的背景知識
串行信號種類(lèi)繁多，在圖二所示的有PCI Express,Rapid IO,DVI,S-ATA,USB,SDH,XAUI，等，其實(shí)現在的流行總線(xiàn)還遠不止這些。每年都出來(lái)一些新流行的串行總線(xiàn)。每些總線(xiàn)差不多都有一個(gè)權威機構來(lái)定義該總線(xiàn)的信號標準和測試規范，這些機構成員多是由來(lái)自于不同公司的專(zhuān)家兼職擔任。當然，關(guān)于PC的串行總線(xiàn)差不多由Intel來(lái)領(lǐng)導。圖三所示某基于Intel Chipset的筆記本電腦的框架圖中的各種總線(xiàn),除了DDR和FSB是并行數據之外,其它都是串行數據了。這些權威機構除了定義規范，當然也會(huì )有一些利益博弈。所以有新的利益集團(這是一個(gè)中性的詞)策劃推廣的時(shí)候就可能有新的總線(xiàn)規范出臺，這就象3G有三種標準一樣。 你方唱罷我登場(chǎng)，搞得下游廠(chǎng)商手忙腳亂。
串行數據總線(xiàn)越來(lái)越多，權威機構定義的測試規范也紛繁蕪雜，我一直覺(jué)得該將這么多的權威機構統一為一個(gè)權威機構，就叫“串行總線(xiàn)國際工程師協(xié)會(huì )”好了，如果力科最先發(fā)起并領(lǐng)導這個(gè)協(xié)會(huì )，然后定義一系列的串行信號測試規范中都只推薦力科示波器，那么親愛(ài)的朋友們，這個(gè)Day Dream的最終結果是什么？ 示波器行業(yè)也許會(huì )重新大洗牌。人們總相信權威機構推薦的，譬如我們平時(shí)用牙膏等都會(huì )相信“中華醫學(xué)會(huì )”之類(lèi)的推薦.
信號速率不斷加倍再加倍，2004年我剛到力科的時(shí)候，主流的串行信號速率在PC行業(yè)是2.5Gb/s，在通信行業(yè)是3.125Gb/s，如今，PC行業(yè)已Double到5Gb/s，通信行業(yè)已Double到6.25Gb/s，而且PC行業(yè)的8Gb/s，通信行業(yè)的12.5Gb/s似乎已指日可待。速率越來(lái)越高，并行數據必然要讓位于串行數據。串行數據傳輸的典型結構框圖如圖三所示，“萬(wàn)變不離其宗” ，都是“兩根差分線(xiàn)”。相比于并行數據，串行數據的優(yōu)點(diǎn)是：1，信號線(xiàn)的數量減少。2，消除了并行數據之間傳輸的延遲問(wèn)題。
圖二 串行數據的整體特點(diǎn)
圖三 某筆記本電腦架構示意圖
3，因為時(shí)鐘是嵌入到數據中的，數據和時(shí)鐘之間的傳輸延遲也同樣消除了。
4, 傳輸線(xiàn)的PCB設計也更容易些。
5, 信號完整性測試也更容易。
圖四 串行信號實(shí)例
串行數據的測試點(diǎn)包括了芯片的發(fā)送端和接收端等不同節點(diǎn)。描述串行數據的常用單位是波特率和UI，譬如3.125Gb/s表示為每秒傳送的數據比特位是3.125G比特(byte)，對應的一個(gè)單位間隔（1UI）表示為一個(gè)比特位的寬度是波特率的倒數，1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps?，F在比較常見(jiàn)的串行信號碼形是NRZ碼。正電平表示”1”，負電平表示“0”。圖三所示是示波器捕獲到的一組串行信號，虛線(xiàn)之間的時(shí)間間隔代表了一個(gè)UI，圖中對應的碼型是101100101010001。
二、眼圖的一些基本概念
― “什么是眼圖？”
― “眼圖就是象眼睛一樣形狀的圖形?！?/span>
眼圖是用余輝方式累積疊加顯示采集到的串行信號的比特位的結果，疊加后的圖形形狀看起來(lái)和眼睛很像，故名眼圖。眼圖上通常顯示的是1.25UI的時(shí)間窗口。眼睛的形狀各種各樣，眼圖的形狀也各種各樣。通過(guò)眼圖的形狀特點(diǎn)可以快速地判斷信號的質(zhì)量。圖六的眼圖有“雙眼皮”，可判斷出信號可能有串擾或預（去）加重。圖七的眼圖“眼睛里布滿(mǎn)血絲”，這表明信號質(zhì)量太差，可能是測試方法有錯誤，也可能是PCB布線(xiàn)有明顯錯誤。 圖八的眼圖非常漂亮，這可能是用采樣示波器測量的眼圖。
圖五 眼圖定義
圖六 “雙眼皮”眼圖
由于眼圖是用一張圖形就完整地表征了串行信號的比特位信息，所以成為了衡量信號質(zhì)量的最重要工具，眼圖測量有時(shí)侯就叫“信號質(zhì)量測試（Signal Quality Test,SQ Test）”。 此外，眼圖測量的結果是合格還是不合格，其判斷依據通常是相對于“模板（Mask）”而言的。模板規定了串行信號“1”電平的容限，“0”電平的容限，上升時(shí)間、下降時(shí)間的容限。所以眼圖測量有時(shí)侯又被稱(chēng)為“模板測試（Mask Test）”。 模板的形狀也各種各樣，通常的NRZ信號的模板如圖五和圖八藍色部分所示。在串行數據傳輸的不同節點(diǎn),眼圖的模板是不一樣的，所以在選擇模板時(shí)要注意具體的子模板類(lèi)型。 如果用發(fā)送端的模板來(lái)作為接收端眼圖模板，可能會(huì )一直碰模板。但象以太網(wǎng)信號、E1/T1的信號，不是NRZ碼形，其模板比較特別。當有比特位碰到模板時(shí)，我們就認為信號質(zhì)量不好，需要調試電路。有的產(chǎn)品要求100%不能碰模板，有的產(chǎn)品是允許碰模板的次數在一定的概率以?xún)?。（有趣的是，眼圖85%通過(guò)模板的產(chǎn)品，功能測試往往是沒(méi)有問(wèn)題的，譬如我在用的電腦網(wǎng)口總是測試不能通過(guò)，但我上網(wǎng)一直沒(méi)有問(wèn)題。 這讓很多公司覺(jué)得不用買(mǎi)示波器做信號完整性測試以一樣可以做出好產(chǎn)品來(lái)，至于山寨版的，更不會(huì )去買(mǎi)示波器測眼圖了。）示波器中有測量參數可自動(dòng)統計出碰到模板的次數。此外，根據“侵犯”模板的位置就能知道信號的哪方面有問(wèn)題從而指導調試。如圖九表明信號的問(wèn)題主要是下降沿太緩，圖十表明1電平和0電平有“塌陷”，可能是ISI問(wèn)題導致的。
圖七 “眼睛布滿(mǎn)血絲”的眼圖
圖八 最漂亮的“眼睛”
圖九 下降沿碰到模板的眼圖
圖十 “1”電平和“0”電平有“塌陷”的模板
和眼圖相關(guān)的眼圖參數有很多，如眼高、眼寬、眼幅度、眼交叉比、“1”電平，“0”電平，消光比，Q因子，平均功率等。圖十二表示幅度相關(guān)的測量參數的定義。 “1”電平和”0”電平表示選取眼圖中間的20%UI部分向垂直軸投影做直方圖，直方圖的中心值分別為“1”電平和“0”電平。眼幅度表示“1”電平減去“0”電平。上下直方圖的3sigm之差表示眼高。圖十二、十三、十四，十五表示了其它一些眼圖參數的定義，一目了然，在此不再一一描述。不過(guò)，有經(jīng)驗的工程師知道，在眼圖形象很糟糕的時(shí)候，眼圖參數測試的結果顯得很不準確。這時(shí)候，建議您可以用力科的自定義眼高測量方法來(lái)測量，如圖十六所示。
圖十一 眼圖參數定義
圖十二 眼圖參數定義
圖十三 眼圖參數定義
圖十四 眼圖參數定義
圖十五 眼圖參數定義
圖十六 自定義眼高測量方法
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