信號完整性分析基礎(chǔ)系列之一 ――關(guān)于眼圖測量(上)

您知道嗎？ 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。
您相信嗎？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(jī)構(gòu)提供的測量向?qū)В?/span>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(qiáng)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(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(yuǎn)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(jī)構(gòu)來定義該總線的信號標(biāo)準(zhǔn)和測試規(guī)范，這些機(jī)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(jī)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(tuán)(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(jī)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(jī)構(gòu)統(tǒng)一為一個權(quán)威機(jī)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(jī)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?，F(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UI，圖中對應(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?！?/span>
眼圖是用余輝方式累積疊加顯示采集到的串行信號的比特位的結(jié)果，疊加后的圖形形狀看起來和眼睛很像，故名眼圖。眼圖上通常顯示的是1.25UI的時間窗口。眼睛的形狀各種各樣，眼圖的形狀也各種各樣。通過眼圖的形狀特點可以快速地判斷信號的質(zhì)量。圖六的眼圖有“雙眼皮”，可判斷出信號可能有串?dāng)_或預(yù)（去）加重。圖七的眼圖“眼睛里布滿血絲”，這表明信號質(zhì)量太差，可能是測試方法有錯誤，也可能是PCB布線有明顯錯誤。 圖八的眼圖非常漂亮，這可能是用采樣示波器測量的眼圖。

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的比特位信息，所以成為了衡量信號質(zhì)量的最重要工具，眼圖測量有時侯就叫“信號質(zhì)量測試（Signal Quality Test,SQ Test）”。 此外，眼圖測量的結(jié)果是合格還是不合格，其判斷依據(jù)通常是相對于“模板（Mask）”而言的。模板規(guī)定了串行信號“1”電平的容限，“0”電平的容限，上升時間、下降時間的容限。所以眼圖測量有時侯又被稱為“模板測試（Mask Test）”。 模板的形狀也各種各樣，通常的NRZ信號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,眼圖的模板是不一樣的，所以在選擇模板時要注意具體的子模板類型。 如果用發(fā)送端的模板來作為接收端眼圖模板，可能會一直碰模板。但象以太網(wǎng)信號、E1/T1的信號，不是NRZ碼形，其模板比較特別。當(dāng)有比特位碰到模板時，我們就認(rèn)為信號質(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%通過模板的產(chǎn)品，功能測試往往是沒有問題的，譬如我在用的電腦網(wǎng)口總是測試不能通過，但我上網(wǎng)一直沒有問題。 這讓很多公司覺得不用買示波器做信號完整性測試以一樣可以做出好產(chǎn)品來，至于山寨版的，更不會去買示波器測眼圖了。）示波器中有測量參數(shù)可自動統(tǒng)計出碰到模板的次數(shù)。此外，根據(jù)“侵犯”模板的位置就能知道信號的哪方面有問題從而指導(dǎo)調(diào)試。如圖九表明信號的問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，有經(jīng)驗的工程師知道，在眼圖形象很糟糕的時候，眼圖參數(shù)測試的結(jié)果顯得很不準(zhǔn)確。這時候，建議您可以用力科的自定義眼高測量方法來測量，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 自定義眼高測量方法