“迷人”的眼圖，“眼花繚亂”的信號(hào)完整性測(cè)試
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眼圖的歷史說(shuō)長(zhǎng)不長(zhǎng)，大約在47年前，眼圖就誕生了。傳統(tǒng)的眼圖測(cè)量方法就是利用采樣示波器。即便是專業(yè)的工程師，也很難完整地、準(zhǔn)確地理解眼圖的測(cè)量原理。而其中大部分人又滿足于各種權(quán)威機(jī)構(gòu)提出的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量向?qū)В瑵M足于sigtest軟件，甚至于忘了眼圖也是一種重要的調(diào)試工具。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201612/333632.htm在搜索引擎中搜到的關(guān)于眼圖的資料，每一篇都表達(dá)得似乎非常地專業(yè)，但卻總感覺(jué)趣味索然。
在實(shí)際數(shù)字互連系統(tǒng)中，想要完全消除碼間串?dāng)_是是不太可能的，而碼間串?dāng)_對(duì)誤碼率的影響目前尚無(wú)法找到數(shù)學(xué)上便于處理的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，也就無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。為了衡量基帶傳輸系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，在實(shí)驗(yàn)室中，通常用示波器觀察接收信號(hào)波形的方法來(lái)分析碼間串?dāng)_和噪聲對(duì)系統(tǒng)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(dāng)示波器的水平掃描周期和碼元定時(shí)同步時(shí)，適當(dāng)調(diào)整相位，使波形的中心對(duì)準(zhǔn)取樣時(shí)刻，在示波器上顯示的圖形因?yàn)楹芟袢说难劬Γ员环Q作眼圖（EyeMap）。
二進(jìn)制信號(hào)傳輸時(shí)的眼圖只有一只“眼睛”，當(dāng)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，眼圖中央的垂直線表示最佳抽樣時(shí)刻，位于兩峰值中間的水平線是判決門限電平。
在無(wú)碼間串?dāng)_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又細(xì)又清晰的“眼睛”，“眼”開(kāi)啟得最大。當(dāng)有碼間串?dāng)_時(shí)，波形失真，碼元不完全重合，眼圖的跡線就會(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?dāng)_的強(qiáng)弱。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串?dāng)_和噪聲的影響，可評(píng)價(jià)一個(gè)基帶傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。另外也可以用此圖形對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)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：
?。?）眼圖張開(kāi)的寬度決定了接收波形可以不受串?dāng)_影響而抽樣再生的時(shí)間間隔。顯然，最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)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(tǒng)對(duì)定時(shí)抖動(dòng)（或誤差）的靈敏度，斜率越大，系統(tǒng)對(duì)定時(shí)抖動(dòng)越敏感。
圖1眼圖
?。?）眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號(hào)零點(diǎn)的變化范圍，稱為零點(diǎn)失真量，在許多接收設(shè)備中，定時(shí)信息是由信號(hào)零點(diǎn)位置來(lái)提取的，對(duì)于這種設(shè)備零點(diǎn)失真量很重要。
?。?）在抽樣時(shí)刻，陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號(hào)失真量。
?。?）在抽樣時(shí)刻上、下兩陰影區(qū)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(cuò)誤判決。
?。?）橫軸對(duì)應(yīng)判決門限電平。
下面就針對(duì)“眼圖”這個(gè)話題和大家一起探討下。
1 串行數(shù)據(jù)
串行信號(hào)種類繁多，在圖2所示的有PCIExpress,RapidIO,DVI,S-ATA,USB,SDH,XAUI，等，其實(shí)現(xiàn)在的流行總線還遠(yuǎn)不止這些。每年都出來(lái)一些新流行的串行總線。每些總線差不多都有一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)來(lái)定義該總線的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試規(guī)范，這些機(jī)構(gòu)成員多是由來(lái)自于不同公司的專家兼職擔(dān)任。當(dāng)然，關(guān)于PC的串行總線差不多由Intel來(lái)領(lǐng)導(dǎo)。圖3所示某基于IntelChipset的筆記本電腦的框架圖中的各種總線，除了DDR和FSB是并行數(shù)據(jù)之外，其它都是串行數(shù)據(jù)了。這些權(quán)威機(jī)構(gòu)除了定義規(guī)范，當(dāng)然也會(huì)有一些利益博弈。所以有新的利益集團(tuán)（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規(guī)范出臺(tái)，這就象3G有三種標(biāo)準(zhǔn)一樣。
圖2 串行數(shù)據(jù)的整體特點(diǎn)
信號(hào)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(hào)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(shù)據(jù)必然要讓位于串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫徒Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，縱然千變?nèi)f化，都是“兩根差分線”。
圖3 某筆記本電腦架構(gòu)示意圖
相比于并行數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是：
a信號(hào)線的數(shù)量減少
b 消除了并行數(shù)據(jù)之間傳輸?shù)难舆t問(wèn)題
c 因?yàn)闀r(shí)鐘是嵌入到數(shù)據(jù)中的，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘之間的傳輸延遲也同樣消除了
d 傳輸線的PCB設(shè)計(jì)也更容易些
e 信號(hào)完整性測(cè)試也更容易
圖4 串行信號(hào)實(shí)例
串行數(shù)據(jù)的測(cè)試點(diǎn)包括了芯片的發(fā)送端和接收端等不同節(jié)點(diǎn)。描述串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)比特位是3.125G比特（byte），對(duì)應(yīng)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(shù)，1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。現(xiàn)在比較常見(jiàn)的串行信號(hào)碼形是NRZ碼。正電平表示”1”，負(fù)電平表示“0”。圖三所示是示波器捕獲到的一組串行信號(hào)，虛線之間的時(shí)間間隔代表了一個(gè)UI，圖中對(duì)應(yīng)的碼型是101100101010001。
2 眼圖的基本概念
眼圖是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改善（通過(guò)調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時(shí)在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個(gè)示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時(shí)示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱 為 “眼圖”。從“眼圖”上可 以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度。另外也可以用此圖形對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能。
眼圖是用余輝方式累積疊加顯示采集到的串行信號(hào)的比特位的結(jié)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(hào)的質(zhì)量。圖6的眼圖有“雙眼皮”，可判斷出信號(hào)可能有串?dāng)_或預(yù)（去）加重。圖7的眼圖“眼睛里布滿血絲”，這表明信號(hào)質(zhì)量太差，可能是測(cè)試方法有錯(cuò)誤，也可能是PCB布線有明顯錯(cuò)誤。圖8的眼圖非常漂亮，這可能是用采樣示波器測(cè)量的眼圖。
圖5 眼圖定義
圖6 “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(hào)的比特位信息，所以成為了衡量信號(hào)質(zhì)量的最重要工具，眼圖測(cè)量有時(shí)侯就叫“信號(hào)質(zhì)量測(cè)試”。此外，眼圖測(cè)量的結(jié)果是合格還是不合格，其判斷依據(jù)通常是相對(duì)于模板而言的。模板規(guī)定了串行信號(hào)“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(cè)量有時(shí)侯又被稱為“模板測(cè)試（MaskTest）”。模板的形狀也各種各樣，通常的NRZ信號(hào)的模板如圖5和圖8藍(lán)色部分所示。在串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌?jié)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(hào)、E1/T1的信號(hào)，不是NRZ碼形，其模板比較特別。當(dāng)有比特位碰到模板時(shí)，我們就認(rèn)為信號(hào)質(zhì)量不好，需要調(diào)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(shù)在一定的概率以內(nèi)。（有趣的是，眼圖85%通過(guò)模板的產(chǎn)品，功能測(cè)試往往是沒(méi)有問(wèn)題的）示波器中有測(cè)量參數(shù)可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出碰到模板的次數(shù)。此外，根據(jù)“侵犯”模板的位置就能知道信號(hào)的哪方面有問(wèn)題從而指導(dǎo)調(diào)試。如圖九表明信號(hào)的問(wèn)題主要是下降沿太緩，圖10表明1電平和0電平有“塌陷”，可能是ISI問(wèn)題導(dǎo)致的。
圖7 “眼睛布滿血絲”的眼圖
圖8 最漂亮的“眼睛”
圖9 下降沿碰到模板的眼圖
圖10 “1”電平和“0”電平有“塌陷”的模板
和眼圖相關(guān)的眼圖參數(shù)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11表示幅度相關(guān)的測(cè)量參數(shù)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12、13、14、15表示了其它一些眼圖參數(shù)的定義，一目了然，在此不再一一描述。不過(guò)，有經(jīng)驗(yàn)的工程師知道，在眼圖形象很糟糕的時(shí)候，眼圖參數(shù)測(cè)試的結(jié)果顯得很不準(zhǔn)確。這時(shí)候，建議用力科的自定義眼高測(cè)量方法來(lái)測(cè)量，如圖16所示。
圖11 眼圖參數(shù)定義
圖12 眼圖參數(shù)定義
圖13 眼圖參數(shù)定義
圖14 眼圖參數(shù)定義
圖15 眼圖參數(shù)定義
圖16 自定義眼高測(cè)量方法
評(píng)論