信號完整性分析基礎(chǔ)系列之關(guān)于眼圖測量(上)

信號完整性分析基礎(chǔ)系列之關(guān)于眼圖測量(上)

眼圖的歷史可以追溯到大約47年前。在力科于2002年發(fā)明基于連續(xù)比特位的方法來測量眼圖之前，1962年-2002的40年間，眼圖的測量是基于采樣示波器的傳統(tǒng)方法。
在長期的培訓(xùn)和技術(shù)支持工作中，我們發(fā)現(xiàn)很少有工程師能完整地準(zhǔn)確地理解眼圖的測量原理。很多工程師們往往滿足于各種標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威機構(gòu)提供的測量向?qū)?，Step by Step，滿足于用“萬能”的Sigtest軟件測量出來的眼圖給出的Pass or Fail結(jié)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(diào)試工具的。
在我2004年來力科面試前，我也從來沒有聽說過眼圖。 那天面試時，老板反復(fù)強調(diào)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(xiàn)頻率最多的如下，表達得似乎非常地專業(yè)，但卻在拒絕我們的閱讀興趣。
“在實際數(shù)字互連系統(tǒng)中，完全消除碼間串?dāng)_是十分困難的，而碼間串?dāng)_對誤碼率的影響目前尚無法找到數(shù)學(xué)上便于處理的統(tǒng)計規(guī)律，還不能進行準(zhǔn)確計算。為了衡量基帶傳輸系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，在實驗室中，通常用示波器觀察接收信號波形的方法來分析碼間串?dāng)_和噪聲對系統(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同步時，適當(dāng)調(diào)整相位，使波形的中心對準(zhǔn)取樣時刻，在示波器上顯示的圖形很象人的眼睛，因此被稱為眼圖（Eye Map）。
二進制信號傳輸時的眼圖只有一只“眼睛”，當(dāng)傳輸三元碼時，會顯示兩只“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刻，位于兩峰值中間的水平線是判決門限電平。
在無碼間串?dāng)_和噪聲的理想情況下，波形無失真，每個碼元將重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線又細(xì)又清晰的“眼睛”，“眼”開啟得最大。當(dāng)有碼間串?dāng)_時，波形失真，碼元不完全重合，眼圖的跡線就會不清晰，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”開啟得小了，因此，“眼”張開的大小表示了失真的程度，反映了碼間串?dāng)_的強弱。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串?dāng)_和噪聲的影響，可評價一個基帶傳輸系統(tǒng)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(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描述，由此圖可以看出：
（1）眼圖張開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間間隔。顯然，最佳抽樣時刻應(yīng)選在眼睛張開最大的時刻。
（2）眼圖斜邊的斜率，表示系統(tǒng)對定時抖動（或誤差）的靈敏度，斜率越大，系統(tǒng)對定時抖動越敏感。

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的變化范圍，稱為零點失真量，在許多接收設(shè)備中，定時信息是由信號零點位置來提取的，對于這種設(shè)備零點失真量很重要。
(4）在抽樣時刻，陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號失真量。
（5）在抽樣時刻上、下兩陰影區(qū)間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就有可能發(fā)生錯誤判決。
（6）橫軸對應(yīng)判決門限電平。 ”
是該專門寫篇文章詳細(xì)講解眼圖了！寫得不正確、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(xí)。

一、串行數(shù)據(jù)的背景知識
串行信號種類繁多，在圖二所示的有PCI Express,Rapid IO,DVI,S-ATA,USB,SDH,XAUI，等，其實現(xiàn)在的流行總線還遠不止這些。每年都出來一些新流行的串行總線。每些總線差不多都有一個權(quán)威機構(gòu)來定義該總線的信號標(biāo)準(zhǔn)和測試規(guī)范，這些機構(gòu)成員多是由來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來領(lǐng)導(dǎo)。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,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)威機構(gòu)除了定義規(guī)范，當(dāng)然也會有一些利益博弈。所以有新的利益集團(這是一個中性的詞)策劃推廣的時候就可能有新的總線規(guī)范出臺，這就象3G有三種標(biāo)準(zhǔn)一樣。 你方唱罷我登場，搞得下游廠商手忙腳亂。
串行數(shù)據(jù)總線越來越多，權(quán)威機構(gòu)定義的測試規(guī)范也紛繁蕪雜，我一直覺得該將這么多的權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)一為一個權(quán)威機構(gòu)，就叫“串行總線國際工程師協(xié)會”好了，如果力科最先發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)這個協(xié)會，然后定義一系列的串行信號測試規(guī)范中都只推薦力科示波器，那么親愛的朋友們，這個Day Dream的最終結(jié)果是什么？ 示波器行業(yè)也許會重新大洗牌。人們總相信權(quán)威機構(gòu)推薦的，譬如我們平時用牙膏等都會相信“中華醫(yī)學(xué)會”之類的推薦.
信號速率不斷加倍再加倍，2004年我剛到力科的時候，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)框圖如圖三所示，“萬變不離其宗” ，都是“兩根差分線”。相比于并行數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)的優(yōu)點是：1，信號線的數(shù)量減少。2，消除了并行數(shù)據(jù)之間傳輸?shù)难舆t問題。


圖二 串行數(shù)據(jù)的整體特點


圖三 某筆記本電腦架構(gòu)示意圖

3，因為時鐘是嵌入到數(shù)據(jù)中的，數(shù)據(jù)和時鐘之間的傳輸延遲也同樣消除了。
4, 傳輸線的PCB設(shè)計也更容易些。
5, 信號完整性測試也更容易。

圖四 串行信號實例
串行數(shù)據(jù)的測試點包括了芯片的發(fā)送端和接收端等不同節(jié)點。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)，對應(yīng)的一個單位間隔（1UI）表示為一個比特位的寬度是波特率的倒數(shù)，1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。現(xiàn)在比較常見的串行信號碼形是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，虛線之間的時間間隔代表了一個