了解關(guān)于眼圖的基本知識(shí)

首先我們先了解關(guān)于眼圖的基本知識(shí)

1、為什么要關(guān)注眼圖

數(shù)字信號(hào)的眼圖中包含了豐富的信息，可以體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的整體特征，能夠很好地評(píng)估數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量，因而眼圖的分析是數(shù)字系統(tǒng)信號(hào)完整性分析的關(guān)鍵之一。

2、眼圖的形成

串行數(shù)據(jù)的傳輸

由于通訊技術(shù)發(fā)展的需要，特別是以太網(wǎng)技術(shù)的爆炸式應(yīng)用和發(fā)展，使得電子系統(tǒng)從 傳統(tǒng)的并行總線轉(zhuǎn)為串行總線。串行信號(hào)種類繁多，如 PCI Express、SPI、USB 等，其傳 輸信號(hào)類型時(shí)刻在增加。為何串行總線目前應(yīng)用越來(lái)越廣泛呢？相比并行數(shù)據(jù)傳輸，串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w特點(diǎn)如下：

1 信號(hào)線的數(shù)量減少，成本降低

2 消除了并行數(shù)據(jù)之間傳輸?shù)难舆t問題

3 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

實(shí)際中，描述串行數(shù)據(jù)的常用單位是波特率和UI，串行數(shù)據(jù)傳輸示例如下：

圖 串行數(shù)據(jù)傳輸示例

例如，比特率為 3.125Gb/s 的信號(hào)表示為每秒傳送的數(shù)據(jù)比特位是 3.125G 比特，對(duì)應(yīng)的一個(gè)單位間隔即為 1UI。1UI表示一個(gè)比特位的寬度，它是波特率的倒數(shù)，即 1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps?，F(xiàn)在比較常見的串行信號(hào)碼形是 NRZ 碼，因此在一般的情況下對(duì) 于串行數(shù)據(jù)信號(hào)，我們的工作均是針對(duì) NRZ 碼進(jìn)行的。

由于示波器的余輝作用，將掃描所得的每一個(gè)碼元波形重疊在一起，從而形 成眼圖。眼圖中包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，體現(xiàn)了 數(shù)字信號(hào)整體的特征，從而可以估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度，因而眼圖分析是高速互連系統(tǒng)信號(hào)完 整性分析的核心。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)_，改善系統(tǒng)的傳輸性能。

眼圖實(shí)際上就是數(shù)字信號(hào)的一系列不同二進(jìn)制碼按一定的規(guī)律在示波器屏幕上累積后的顯示，簡(jiǎn)單地說(shuō)，由于示波器具有余輝功能，只要將捕獲的所有波形按每三個(gè)比特分別地疊加累積 (如上圖所示)，從而就形成了眼圖。

目前，一般均可以用示波器觀測(cè)到信號(hào)的眼圖，其具體的操作方法為：將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就稱為眼圖。示波器一般測(cè)量的信 號(hào)是一些位或某一段時(shí)間的波形，更多的反映的是細(xì)節(jié)信息，而眼圖則反映的是鏈路上傳輸?shù)乃袛?shù)字信號(hào)的整體特征。

3、眼圖和實(shí)時(shí)波形的區(qū)別

? 實(shí)時(shí)波形能夠反映波形的細(xì)節(jié)，如觀察上升/下降邊沿、過(guò)沖、單調(diào)性等。

? 眼圖能夠體現(xiàn)信號(hào)的整體特征。

? 實(shí)時(shí)波形很好，可以說(shuō)明信號(hào)品質(zhì)沒有問題嗎？不一定，只能代表某些比特。

? 眼圖很好，可以說(shuō)明信號(hào)品質(zhì)沒有問題嗎？當(dāng)然可以。代表整體。

4、眼圖的衡量指標(biāo)

在對(duì)于一個(gè)眼圖進(jìn)行好和壞的評(píng)估時(shí)，通常都有一些常見的衡量指標(biāo)，比如眼高，眼寬，抖動(dòng)，占空比等，如上圖。通過(guò)對(duì)眼睛不同部位的表征，可以快速地判斷和定性信號(hào)的問題。比如眼圖跳變沿交叉點(diǎn)的上下區(qū)域可以代表占空比，如果上下區(qū)域比例不對(duì)稱，則代表占空比的結(jié)果可能存在問題。

有時(shí)候?yàn)榱四芎?jiǎn)單直觀地判斷眼圖指標(biāo)是否符合要求，可以將規(guī)范定義的要求制作成一個(gè)模板，然后通過(guò)示波器來(lái)調(diào)用，便可以直接觀察到眼圖是否有接觸到模板。如果沒有接觸到則表示眼圖的指標(biāo)符合規(guī)范要求，同樣如果有接觸到模板，也可以根據(jù)接觸的位置針對(duì)性的改善。不需要像傳統(tǒng)的測(cè)試方法去一一地測(cè)量眼圖指標(biāo)了。

很多人在稱贊美女的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)用【明眸皓齒】、【蜂腰美人】或【水蛇腰】來(lái)形容。其實(shí)在評(píng)判眼圖的質(zhì)量時(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也蠻適用的。這其實(shí)就可以當(dāng)作檢查眼圖是否完美的兩個(gè)重要準(zhǔn)則：

【明眸皓齒】：眼睛要大，如果配合上有眼圖模板的話，那么以眼圖模板當(dāng)作瞳孔，則眼白（Margin）就必須要夠多。

【蜂腰美人】：如圖7紅綠色圓圈中交叉的部分，必須要越小越好，最好是一個(gè)點(diǎn)，就像蜂腰美人一樣，比較瘦小，因?yàn)檫@里代表的是抖動(dòng)，如果太大就會(huì)造成誤碼率增加。抖動(dòng)越小則代表信號(hào)質(zhì)量越好，發(fā)生誤碼的機(jī)率越低。

前面講到了眼圖模板，眼圖的測(cè)試主要是用來(lái)檢測(cè)高速串行傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量，不論是SATA、PCI Express還是USB，標(biāo)準(zhǔn)都有提供眼圖模板的標(biāo)準(zhǔn)給工程師作為眼圖的測(cè)量準(zhǔn)則。如圖8所示，是USB2.0 TX的眼圖模板，所謂的眼圖模板主要是用在判斷眼圖是否符合規(guī)范的要求，圖8中ABCDEF6點(diǎn)所圍成的六邊形紅色區(qū)域以及GH以上、IJ一下區(qū)域代表所謂的【禁止區(qū)域】。

如果眼圖有任何信號(hào)波形位進(jìn)入這些紅色區(qū)域，則表示信號(hào)傳輸不滿足協(xié)議規(guī)范的要求(綠色圓圈處)

5、眼圖反映了信號(hào)的完整性

不同的眼圖可以反映不同的信號(hào)質(zhì)量，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以從眼圖上發(fā)現(xiàn)信號(hào)是否存在阻抗不匹配導(dǎo)致的反射，以及某種抖動(dòng)成分偏大，甚至知道如何來(lái)優(yōu)化眼圖質(zhì)量。總體來(lái)說(shuō)：

? 眼圖的張開度與抖動(dòng)和BER相關(guān)聯(lián)；

? 眼圖張開越大，表明對(duì)噪聲和抖動(dòng)的容許誤差越大；

? 眼圖張開越大，表明接收器判斷靈敏度越好；

? 眼頂、眼底和轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)挶砻鹘邮掌髋袛囔`敏度降低

“張開”的眼圖呢？以下從幾個(gè)方面考慮：

(1)考慮 PCB 走線長(zhǎng)度：短走線并非始終能夠滿足，短走線意味著低損耗

(2)考慮 PCB 走線寬度：寬走線可以降低趨膚效應(yīng)

(3)減小板材的介電常數(shù)：降低介電損耗(Dielectric Loss)，但將增加成本

(4)信號(hào)預(yù)加重和均衡處理：通過(guò)對(duì)跳變位預(yù)加重(Pre-Emphasis)處理，補(bǔ)償線路上 因信號(hào)跳變產(chǎn)生的針對(duì)高頻分量的損耗

(5) 阻抗不連續(xù)造成的反射，阻抗匹配減少反射

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。

“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。

眼圖參數(shù)定義:幅度相關(guān)的測(cè)量參數(shù)的定義

6、眼圖與存儲(chǔ)深度

通常眼圖是由若干個(gè)比特(UI)組成，考慮到眼圖測(cè)試的精度和穩(wěn)定性，一般都要求累積到足夠的UI數(shù)再分析，這個(gè)就涉及到示波器的存儲(chǔ)深度。越高的存儲(chǔ)深度，示波器一次分析的UI數(shù)就會(huì)越多，測(cè)試結(jié)果也就越精準(zhǔn)。因此在測(cè)量高速信號(hào)的眼圖和抖動(dòng)中，盡量采用高的存儲(chǔ)深度。當(dāng)然存儲(chǔ)深度越高，示波器的分析速度相對(duì)也會(huì)變慢。

下圖是Keysight實(shí)時(shí)示波器動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)眼圖的累積情況。眼圖的左上角會(huì)顯示累積的UI數(shù)以及示波器捕獲的波形數(shù)。

滿足等式：UI數(shù) = 存儲(chǔ)深度/采樣率*信號(hào)速率*波形數(shù)

7、實(shí)時(shí)的眼圖表現(xiàn)

另外，眼圖既然是實(shí)時(shí)波形的疊加，對(duì)于眼圖的分析也應(yīng)該具有實(shí)時(shí)性。下圖是Keysight實(shí)時(shí)示波器測(cè)出的眼圖，在示波器窗口中能看到上半部窗口是實(shí)時(shí)波形的顯示，下半部窗口是實(shí)時(shí)眼圖的顯示。這種同步實(shí)時(shí)性的顯示功能可以讓工程師更直觀地對(duì)波形和眼圖進(jìn)行觀察，更好地進(jìn)行分析和調(diào)試工作。這種功能也是作為儀器廠商目前唯一支持的。

8、快速眼圖的測(cè)量 (一鍵式眼圖測(cè)量)

當(dāng)我們需要測(cè)量眼圖時(shí)，需要先進(jìn)行一系列的設(shè)置后才能形成波形的眼圖，比如波形的大小調(diào)整、信號(hào)速率的設(shè)定以及閾值的設(shè)定等。對(duì)于一些關(guān)心測(cè)試效率或者需要做大量的信號(hào)眼圖測(cè)試的用戶來(lái)說(shuō)，他們更希望可以最簡(jiǎn)單化地進(jìn)行眼圖的測(cè)量，不用因?yàn)樾盘?hào)速率或者幅度不同每次都要重新進(jìn)行眼圖設(shè)置。是德科技示波器的軟件不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，增加了非常多的人性化功能。對(duì)于眼圖的測(cè)量，我們只需要通過(guò)鼠標(biāo)或者觸摸屏控制，一鍵式點(diǎn)擊就可以快速地基于實(shí)時(shí)波形形成出眼圖，為用戶提供了非常便捷地方式。

下圖是我們針對(duì)一個(gè)10Gbps的高速信號(hào)，進(jìn)行快速眼圖測(cè)量，當(dāng)波形顯示出來(lái)后，只要點(diǎn)擊Analyze菜單下面的“Quick Eye Diagrams”就可以快速地形成信號(hào)的眼圖。

9、Eye Contour 誤碼率眼圖

現(xiàn)在對(duì)高速信號(hào)的眼圖測(cè)量要求越來(lái)越高，以前工程師在測(cè)量眼圖的時(shí)候，可能在捕獲時(shí)間上有多有少的自行定義，來(lái)看眼睛的高度和寬度或者抖動(dòng)等?，F(xiàn)在很多的接口規(guī)范開始要求在一定誤碼率下來(lái)評(píng)估眼高和眼寬等，比如在OIF-CEI的標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)28Gbps信號(hào)的眼高眼寬要求，就定義在1e-15的誤碼率下。

下圖是對(duì)V by One的信號(hào)進(jìn)行眼圖測(cè)量，該總線規(guī)范也要求了誤碼率1e-9下的眼圖。在下面的眼圖結(jié)果中可以看到不同誤碼率下的眼圖輪廓，紅色線就是誤碼率1e-9的眼圖輪廓。

在數(shù)字電路系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送出多個(gè)比特的數(shù)據(jù)，由于多種因素的影響，接收端可能會(huì)接收到一些錯(cuò)誤的比特（即誤碼）。錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)與總的比特?cái)?shù)之比稱為誤碼率，即Bit Error Ratio，簡(jiǎn)稱 BER。誤碼率是描述數(shù)字電路系統(tǒng)性能的最重要的參數(shù)。在 GHz 比 特率的通信電路系統(tǒng)中（比如 Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求 BER 小于或等于10^12。誤碼率較大時(shí)，通信系統(tǒng)的效率低、性能不穩(wěn)定。影響誤碼率的因素包括抖動(dòng)、噪聲、信道的損耗、信號(hào)的比特率等。

在誤 碼率（BER）的測(cè)試中，碼型發(fā)生器會(huì)生成數(shù)十億個(gè)數(shù)據(jù)比特，并將這些數(shù)據(jù)比特發(fā)送給輸入設(shè)備，然后在輸出端接收這些數(shù)據(jù)比特。然后，誤碼分析儀將接收到 的數(shù)據(jù)與發(fā)送的原始數(shù)據(jù)一位一位進(jìn)行對(duì)比，確定哪些碼接收錯(cuò)誤，隨后會(huì)給出一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)計(jì)算得到的 BER。考慮誤碼率測(cè)試的需要，我們以下面的實(shí)際測(cè)試眼圖為參考，以生成 BER圖，參考眼圖如下所示：

BER 圖是樣點(diǎn)時(shí)間位置 BER(t)的函數(shù)，稱為 BERT 掃描圖或浴缸曲線。簡(jiǎn)而言之，它 是在相對(duì)于參考時(shí)鐘給定的額定取樣時(shí)間的不同時(shí)間 t 上測(cè)得的 BER。參考時(shí)鐘可以是信 號(hào)發(fā)射機(jī)時(shí)鐘，也可以是從接收的信號(hào)中恢復(fù)的時(shí)鐘，具體取決于測(cè)試的系統(tǒng)。以上述的眼圖為參考，眼睛張開度與誤碼率的關(guān)系以及其 BER 圖如下：

眼睛張開度與誤碼率的關(guān)系

BER(T)掃描或浴缸曲線

上述兩圖中，BER 圖與眼圖時(shí)間軸相同，兩側(cè)與眼圖邊沿相對(duì)應(yīng)，樣點(diǎn)位于中心。BER 一定時(shí)，曲線之間的距離是該 BER 上的眼圖張開程度。在樣點(diǎn)接近交點(diǎn)時(shí)，抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致 BER 提高到最大 0.5。

10、Multi-Channel Eye Measurement(多通道眼圖測(cè)量)

Multi-Channel Eye Measurement 多通道眼圖測(cè)量功能。