高速信號(hào)眼圖怎么看

Hi。小杜作為PCIe數(shù)字驗(yàn)證工程師，工作中接觸到了PCIe Compliance、Margin測(cè)試，這兩個(gè)測(cè)試都涉及到了高速信號(hào)"眼圖"的概念。本文小杜來(lái)介紹一下怎么看眼圖，從而理解Compliance、Margin測(cè)試到底在測(cè)什么。小杜經(jīng)驗(yàn)尚淺，如有錯(cuò)誤，還請(qǐng)批評(píng)指正。

什么是眼圖?

眼圖(Eye Diagram)是一種用于分析高速數(shù)字信號(hào)傳輸質(zhì)量的重要工具。通過(guò)在示波器上重疊多個(gè)周期的信號(hào)波形，生成一個(gè)形狀類(lèi)似于眼睛的圖形，這就是眼圖。眼圖能夠直觀地展示信號(hào)的完整性、抖動(dòng)和噪聲等關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)觀察眼圖的開(kāi)口大小和形狀，工程師可以評(píng)估信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性，識(shí)別并解決潛在的信號(hào)完整性問(wèn)題，從而確保高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路(如PCIe)的可靠性。

比如下圖就是PCIe NRZ眼圖和PAM-4眼圖。???

一般來(lái)說(shuō)，眼圖張得越開(kāi)，傳輸過(guò)程的誤碼率(BER, Bit Error Rate)也就越低。誤碼率非常重要，每位工程師都渴望誤碼率為0! 誤碼率：接受到的錯(cuò)誤比特?cái)?shù) / 總傳輸比特?cái)?shù)

如何看眼圖?

眼圖分為X軸和Y軸，其中Y軸表示電壓幅度，X軸表示時(shí)間。相信看完本文你也能看懂X軸和Y軸的信息啦!??????????

不過(guò)在介紹下面內(nèi)容之前，需要了解單位間隔(UI)的概念。UI 定義為一個(gè)數(shù)據(jù)位寬，與數(shù)據(jù)速率無(wú)關(guān)。例如，在 9.8 Gbps 數(shù)據(jù)流中，一個(gè) UI 相當(dāng)于 102 ps。對(duì)于 2.0 Gbps 數(shù)據(jù)流，一個(gè) UI 相當(dāng)于 500 ps。一個(gè)眼圖一般會(huì)顯示2個(gè)UI，左側(cè)1/2UI展示半個(gè)眼圖，中間1個(gè)UI展示完整眼圖，右側(cè)1/2UI展示半個(gè)眼圖。好了，讓我們正式開(kāi)始介紹眼圖的Y軸和X軸。

眼圖的電壓幅度(Y軸)

Y軸涉及到的主要概念包括："1"電平/"0"電平、眼圖幅度、高度以及眼圖交叉百分比。

- "1"電平(One Level)和"0"電平(Zero Level)

"1"電平為眼圖頂部中間20% UI(也稱(chēng)為40%到60%區(qū)域)內(nèi)捕獲的所有數(shù)據(jù)樣本的直方圖平均值。同"1"電平，"0"電平是眼圖底部中間20%UI內(nèi)捕獲的所有數(shù)據(jù)樣本的直方圖平均值。

- 眼睛幅度和高度

眼圖幅度："1"電平和 "0"電平之間的差值。使用的計(jì)算值是所示兩個(gè)直方圖的平均值，在眼圖交叉的中間 20% 區(qū)域內(nèi)測(cè)量。

眼圖高度：通過(guò)計(jì)算"1"電平和"0"電平直方圖內(nèi)部3s點(diǎn)之間的差值。

- 眼圖交叉百分比

眼圖交叉百分比是相對(duì)于 1 和 0 電平的交叉點(diǎn)幅度的度量。它清楚地表明了系統(tǒng)數(shù)據(jù)脈沖對(duì)稱(chēng)性的表現(xiàn)如何。

比如下圖，當(dāng)"1"和"0"電平對(duì)稱(chēng)性變差，眼圖交叉百分比就會(huì)偏離50%。當(dāng)眼圖交叉對(duì)稱(chēng)性值偏離是完美的50%時(shí)，眼睛大且對(duì)稱(chēng)，從而降低誤碼率。

- 信噪比

信噪比(SNR, Signal-to-Noise Ratio)是衡量信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。它表示信號(hào)相對(duì)于噪聲的強(qiáng)度，信噪比越高，意味著信號(hào)質(zhì)量越好，噪聲對(duì)信號(hào)的影響越小。在眼圖中，信噪比可以定義為信號(hào)的有效電壓(通常是信號(hào)的峰峰值電壓)與噪聲電壓的比值。噪聲電壓是指在信號(hào)傳輸過(guò)程中疊加在信號(hào)上的不期望的電壓變化。

在眼圖中，垂直開(kāi)口越大，表示信號(hào)電壓相對(duì)于噪聲電壓的差距越大，信噪比越高。眼圖中的噪聲帶寬越窄，表示噪聲電壓越小，信噪比越高。常見(jiàn)的噪聲源包括電源噪聲、環(huán)境電磁干擾、PCB布局等都會(huì)影響噪聲電壓。

下面這張圖展示一個(gè)信噪比很差的眼睛，可以看出下圖眼睛的眼皮非?！蹦：?。

眼圖時(shí)間軸(X軸)

在眼圖中，X軸表示時(shí)間軸，是用于展示信號(hào)在不同時(shí)間點(diǎn)的變化情況。通過(guò)在示波器上重疊多個(gè)信號(hào)周期，時(shí)間軸上會(huì)顯示出一個(gè)周期內(nèi)所有可能的信號(hào)過(guò)渡情況。

- 抖動(dòng)

抖動(dòng)是指信號(hào)過(guò)渡時(shí)間(如上升沿或下降沿)的隨機(jī)或周期性變化。抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過(guò)渡點(diǎn)的不確定性和不穩(wěn)定性。抖動(dòng)可以是由由隨機(jī)噪聲引起的隨機(jī)抖動(dòng)，其呈高斯分布，也可以是由系統(tǒng)性的干擾或模式引起確定性抖動(dòng)。抖動(dòng)會(huì)縮小眼圖的水平開(kāi)口，降低時(shí)間裕度，使接收端更難準(zhǔn)確采樣信號(hào)，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

- 上升時(shí)間和下降時(shí)間

上升時(shí)間是指信號(hào)從低電平過(guò)渡到高電平所需的時(shí)間，比如下圖中20%電壓值過(guò)渡到80%電壓值。上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)邊沿變得緩慢，可能導(dǎo)致碼間干擾(ISI)，影響信號(hào)的頻率響應(yīng)和系統(tǒng)的傳輸速度。同理下降時(shí)間。

- 眼寬

眼寬表示在一個(gè)比特周期內(nèi)，信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間窗口。具體來(lái)說(shuō)，眼寬是在垂直軸上選定一個(gè)電壓閾值水平時(shí)，信號(hào)在水平軸上的時(shí)間開(kāi)口。它反映了信號(hào)在給定電壓水平下的時(shí)間裕度(時(shí)間容忍度)。 眼寬越大，表示信號(hào)抖動(dòng)越小，時(shí)間裕度越大。信號(hào)在接收端能夠穩(wěn)定采樣的時(shí)間窗口越寬，系統(tǒng)的可靠性和性能越好。較大的眼寬意味著接收端有更大的容錯(cuò)時(shí)間，能夠在正確的時(shí)間點(diǎn)采樣到有效信號(hào)，從而降低誤碼率。同時(shí)，較大的眼寬表明信號(hào)對(duì)抖動(dòng)和噪聲的敏感性較低，系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力。

- 占空比失真

占空比失真是指理想方波信號(hào)的高電平和低電平持續(xù)時(shí)間的不對(duì)稱(chēng)性。理想情況下，高電平和低電平的時(shí)間應(yīng)相等，但由于各種原因，這種對(duì)稱(chēng)性可能會(huì)被破壞。占空比失真會(huì)導(dǎo)致信號(hào)周期內(nèi)的時(shí)間分布不均，影響信號(hào)的采樣點(diǎn)，可能引起碼間干擾(ISI)，并增加接收端的誤碼率。當(dāng)眼圖交叉對(duì)稱(chēng)值偏離理想的 0% DCD 值時(shí)，眼圖會(huì)閉合，從而降低 BER。

眼圖的應(yīng)用

掩膜合規(guī)性測(cè)試 (Mask Compliance Testing)??

眼圖 Mask Compliance 測(cè)試是高速信號(hào)傳輸中一種重要的驗(yàn)證方法，用于評(píng)估信號(hào)是否符合特定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。通過(guò)對(duì)眼圖中的信號(hào)波形進(jìn)行分析，并將其與預(yù)定義的掩膜(mask)進(jìn)行比較，工程師可以確定信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性。

掩膜：一個(gè)在眼圖中定義的區(qū)域，通常由一系列直線和曲線組成，形成一個(gè)閉合的形狀。信號(hào)波形不應(yīng)侵入這個(gè)掩膜區(qū)域，否則視為不合格。 信號(hào)波形完全在掩膜區(qū)域外，表示信號(hào)質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，傳輸可靠性高。而如果信號(hào)波形侵入掩膜區(qū)域，表示信號(hào)質(zhì)量存在問(wèn)題，可能需要優(yōu)化PCB布局、改進(jìn)信號(hào)完整性或調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。

掩膜裕度測(cè)試 (Mask Margin Test)

眼圖 Margin Test 是一種用于評(píng)估高速數(shù)字信號(hào)傳輸可靠性和性能的測(cè)試方法。通過(guò)這項(xiàng)測(cè)試，工程師能夠確定信號(hào)在不同條件下的容限(margin)，即在各種噪聲、抖動(dòng)和其他干擾因素存在時(shí)，系統(tǒng)仍然能可靠傳輸數(shù)據(jù)的能力。PCIe制造商可以通過(guò)測(cè)試通過(guò)的裕度的多少來(lái)監(jiān)控和優(yōu)化其生產(chǎn)過(guò)程。

感謝你耐心地看到這里，PCIe物理層的Compliance測(cè)試和Margin測(cè)試就是對(duì)高速串行線的眼圖的測(cè)試，只有Compliance測(cè)試完美通過(guò)，Margin測(cè)試出的裕量滿(mǎn)足要求，才能有信心相信設(shè)備能夠很好的傳輸信息。小杜在此祝愿每個(gè)工程師都能得到一個(gè)完美的"眼睛"!