信號(hào)完整性分析基礎(chǔ)系列之關(guān)于眼圖測(cè)量(上)

信號(hào)完整性分析基礎(chǔ)系列之關(guān)于眼圖測(cè)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(lái)測(cè)量眼圖之前，1962年-2002的40年間，眼圖的測(cè)量是基于采樣示波器的傳統(tǒng)方法。
??? 在長(zhǎng)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(cè)量原理。很多工程師們往往滿足于各種標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威機(jī)構(gòu)提供的測(cè)量向?qū)?，Step by Step，滿足于用“萬(wàn)能”的Sigtest軟件測(cè)量出來(lái)的眼圖給出的Pass or Fail結(jié)論。這種對(duì)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(xiàng)重要的調(diào)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(fù)強(qiáng)調(diào)力科在眼圖測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)，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(cè)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(dá)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(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(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，還不能進(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很象人的眼睛，因此被稱為眼圖（Eye Map）。
??? 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(mén)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：
??? （1）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。
???????
??????????? 圖一? 眼圖
（3）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。
?(4）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。
（5）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。
（6）橫軸對(duì)應(yīng)判決門(mén)限電平。 ”???
??? ?是該專(zhuān)門(mén)寫(xiě)篇文章詳細(xì)講解眼圖了！寫(xiě)得不正確、不到位的地方，懇請(qǐng)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(shí)
???? 串行信號(hào)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(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(zhuān)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(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。 你方唱罷我登場(chǎng)，搞得下游廠商手忙腳亂。
???串行數(shù)據(jù)總線越來(lái)越多，權(quán)威機(jī)構(gòu)定義的測(cè)試規(guī)范也紛繁蕪雜，我一直覺(jué)得該將這么多的權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)一為一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)，就叫“串行總線國(guó)際工程師協(xié)會(huì)”好了，如果力科最先發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)協(xié)會(huì)，然后定義一系列的串行信號(hào)測(cè)試規(guī)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(jié)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(quán)威機(jī)構(gòu)推薦的，譬如我們平時(shí)用牙膏等都會(huì)相信“中華醫(yī)學(xué)會(huì)”之類(lèi)的推薦.
??? 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)框圖如圖三所示，“萬(wàn)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(diǎn)是：1，信號(hào)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(wèn)題。?
????

??????????圖二 串行數(shù)據(jù)的整體特點(diǎn)?????
?

????????? 圖三? 某筆記本電腦架構(gòu)示意圖

3，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(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。??
4, 傳輸線的PCB設(shè)計(jì)也更容易些。??
5, 信號(hào)完整性測(cè)試也更容易。
??
???????????????圖四 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?，F(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。??

?? 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。”????
????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。圖六的眼圖有“雙眼皮”，可判斷出信號(hào)可能有串?dāng)_或預(yù)（去）加重。圖七的眼圖“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。 圖八的眼圖非常漂亮，這可能是用采樣示波器測(cè)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(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（Signal Quality Test,SQ Test）”。 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（Mask）”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（Mask Test）”。 模板的形狀也各種各樣，通常的NRZ信號(hào)的模板如圖五和圖八藍(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(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(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，譬如我在用的電腦網(wǎng)口總是測(cè)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(hào)完整性測(cè)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(cè)眼圖了。）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，圖十表明1電平和0電平有“塌陷”，可能是ISI問(wèn)題導(dǎo)致的。?
??
????????????? 圖七 “眼睛布滿血絲”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(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。圖十二表示幅度相關(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。圖十二、十三、十四，十五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，建議您可以用力科的自定義眼高測(cè)量方法來(lái)測(cè)量，如圖十六所示。?
???????

???????????圖十一 ?眼圖參數(shù)定義????
????????
???????????圖十二? 眼圖參數(shù)定義?????
?????
???????????圖十三? 眼圖參數(shù)定義?????
???

???????????圖十四? 眼圖參數(shù)定義??
????
??
???????????圖十五 眼圖參數(shù)定義??
???

?????????? 圖十六? 自定義眼高測(cè)量方法