眼圖背后的故事【明眸】與【蜂腰】

眼圖(EYE Diagram)介紹

所謂眼圖簡(jiǎn)單的說(shuō)就是把一連串接收端接收到的脈沖信號(hào)(000,001,010,011, 100, 101,110,111)同時(shí)疊加在高速示波器上以形成眼圖，如下圖所示：

圖1

若在眼圖中加入一個(gè)多邊形以標(biāo)識(shí)信號(hào)真正存在的區(qū)域，即所謂的眼圖模板測(cè)試(Eye Mask)。因?yàn)檠蹐D模板測(cè)試可在一次量測(cè)中，計(jì)算出測(cè)試信號(hào)波形的上升時(shí)間、下降時(shí)間、噪聲與抖動(dòng)(Jitter)等，形成一套系統(tǒng)化的測(cè)量方法，因此眼圖已被多個(gè)協(xié)會(huì)(SATA, SAS, PCIE, USB, Ethernet等幾乎所有的高速總線協(xié)會(huì))采用來(lái)規(guī)范各種通信互連系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目。

圖 2

眼圖的特性是累加了一連串的脈沖時(shí)序，因此它具有測(cè)量信號(hào)重復(fù)性的作用。圖1的眼圖可以呈現(xiàn)許多信息;假如整個(gè)互連通信系統(tǒng)無(wú)任何噪聲時(shí)，眼圖上的軌跡應(yīng)為同一條直線。當(dāng)噪聲越大時(shí)，信號(hào)變動(dòng)程度也越大，在垂直方向之疊合軌跡也越粗，誤碼率也將增加。如下圖所示：

圖3

眼圖的水平方向?yàn)闀r(shí)間軸，代表信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，抖動(dòng)將造成水平方向上軌跡變粗。眼圖的左右邊沿可以測(cè)量出信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間。眼圖形狀類(lèi)似于眼睛，當(dāng)眼睛張的越大時(shí)，傳輸質(zhì)量越佳?；旧先粞蹐D的形狀呈現(xiàn)【瞇瞇眼】形狀時(shí)，表示信號(hào)質(zhì)量極非常差。如下圖所示：

圖4

在信號(hào)量測(cè)中，眼圖的形成正如上所述：由多個(gè)差分信號(hào)運(yùn)算所累加而成。以SATA為例，其原理大致如下：

首先SATA 的信號(hào)pin角，大致上可分為T(mén)X+、TX-、RX+與RX-;由于SATA、SAS、PCI Express這類(lèi)總線都是以差分信號(hào)來(lái)取代傳統(tǒng)的單端信號(hào)傳輸，TX 為發(fā)送端，RX為接收端，而+、-則為差分的成對(duì)信號(hào)。參考圖5(A)與圖5(B)的信號(hào)波形圖(以TX 為例)，當(dāng)信號(hào)傳遞時(shí)，即使因外界的噪聲干擾，也不用擔(dān)心信號(hào)會(huì)有誤判的情形發(fā)生，因?yàn)椴罘中盘?hào)的傳輸機(jī)制會(huì)將TX+與TX-作相減的運(yùn)算，如圖5(C)所示，如果有噪聲，也不會(huì)傳遞到芯片內(nèi)部，這樣就不會(huì)影響到正常的信號(hào)傳遞，從而提高噪聲容忍度。

圖5

而示波器在測(cè)量眼圖信號(hào)時(shí)，透過(guò)自觸發(fā)點(diǎn)之后，將TX+ - TX-的信號(hào)累加至示波器上,如下圖所示，即獲得了眼圖。

圖 6

很多人在稱(chēng)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。

圖 7

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以下區(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(mǎn)足協(xié)議規(guī)范的要求(如圖9綠色圓圈處)。

圖 8

圖 9

眼圖的判斷

以上說(shuō)了那么多，現(xiàn)在就來(lái)看看眼圖到底如何來(lái)判斷。

首先，看是否【明眸】。眼圖是否夠大?是否有進(jìn)入內(nèi)模板?是否有超過(guò)上下限。

其次，看是否【蜂腰】。眼圖交叉點(diǎn)的部分，是否達(dá)到夠細(xì)?是否達(dá)到最小協(xié)議規(guī)范中抖動(dòng)的要求?

以上兩點(diǎn)需要同時(shí)滿(mǎn)足，才能說(shuō)明眼圖符合設(shè)計(jì)要求。

后話

在信號(hào)速率發(fā)展越來(lái)越快的今天，幾乎所有高速信號(hào)都在朝著高速串行總線發(fā)展，在高速串行總線中，眼圖就是繞不開(kāi)的概念，至少在目前，幾乎所有的高速串行總線都在利用考察眼圖來(lái)評(píng)估信號(hào)完整性傳輸。希望此文能帶給各位工程師一些幫助，以便更好的了解“眼圖”，并知道通過(guò)仿真和測(cè)量“眼圖”來(lái)判斷信號(hào)是否符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

審核編輯：湯梓紅