基于PicoScope 9000實(shí)現(xiàn)高速電信號(hào)眼圖測(cè)量

摘要

關(guān)于高速電信號(hào)的眼圖測(cè)量，相信大家會(huì)很自然的想到目前所熟知的三個(gè)研發(fā)生產(chǎn)高端示波器的美國(guó)廠(chǎng)家： Keysight，Tektronix，Teledyne LeCroy；相信很多中小型公司也會(huì)望眼圖測(cè)試而卻步，因?yàn)檫@樣的高端測(cè)試儀器非常昂貴。本文要介紹的不太為市場(chǎng)所熟知的也比較特別的一款高速信號(hào)測(cè)試設(shè)備，來(lái)自英國(guó)比克科技（Pico Technology）的高速采樣示波器PicoScope 9000,帶寬可達(dá)25GHz，采樣率15TS/s，也許能夠幫助更多的公司以更為合理的投入實(shí)現(xiàn)對(duì)高速信號(hào)眼圖的測(cè)量。

一、眼圖的定義

顧名思義，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高速串行信號(hào)的所有比特位的結(jié)果，疊加后的圖形形狀看起來(lái)和眼睛很像，所以稱(chēng)作為眼圖。如下圖1所示：

圖1 眼圖

二、測(cè)量眼圖的意義

如下圖所示，高速串行信號(hào)通常是由多個(gè)0和1以一定的序列組成的碼型，如常用的PRBS7，PRBS9，PRBS11等碼型，不同的碼型序列所包含的0和1數(shù)量也不同，如PRBS7包含（2+E7） – 1個(gè)0和1的數(shù)量。個(gè)別的0和1位的信號(hào)質(zhì)量往往代表不了整個(gè)碼型的信號(hào)質(zhì)量，所以將碼型中的所有位疊加到一起進(jìn)行評(píng)估能夠更好的反應(yīng)高速串行信號(hào)的質(zhì)量。

圖2 典型的高速串行信號(hào)

如前面所述，眼圖是用一張圖形（高速串行碼型中所有位的疊加）就完整地表征了串行信號(hào)的所有比特位信息，所以成為了衡量串行信號(hào)質(zhì)量的最重要工具。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(chēng)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)的模板如下圖3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。

圖3 常見(jiàn)的高速串行信號(hào)眼圖模板

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。如下圖4所示的眼圖具有非常細(xì)的跡線(xiàn)，且遠(yuǎn)離眼圖模板，這樣的眼圖非常漂亮，說(shuō)明高速串行信號(hào)具有很小的噪聲、抖動(dòng)；而圖5中的眼圖跡線(xiàn)很粗，已經(jīng)非常接近眼圖模板，這說(shuō)明高速串行信號(hào)具有比較大的抖動(dòng)和噪聲。

圖4 好的眼圖

圖5 較差的眼圖

很多情況下還需要量化測(cè)量眼圖的性能，以了解信號(hào)眼圖相對(duì)于眼圖模板的余量，這就需要對(duì)眼圖進(jìn)行自動(dòng)化參數(shù)測(cè)量，專(zhuān)業(yè)的示波器軟件中一般會(huì)標(biāo)配有專(zhuān)門(mén)針對(duì)眼圖進(jìn)行測(cè)量的參數(shù)：如眼高、眼寬、眼幅度、上升/下降時(shí)間、抖動(dòng)等。如下圖6、圖7、圖8所示分別為基于PicoScope 9000實(shí)現(xiàn)對(duì)高速串行信號(hào)眼圖的眼寬、眼高、抖動(dòng)等參數(shù)的測(cè)試。

圖6 眼寬的測(cè)量

圖7 眼高的測(cè)量

圖8 抖動(dòng)的測(cè)量

三、利用PicoScope 9000示波器測(cè)量PCIE信號(hào)眼圖

如下圖9所示，被測(cè)件為顯卡，顯卡通過(guò)一個(gè)夾具將PCIE信號(hào)轉(zhuǎn)換為SMA接口輸出，圖中我們分別用一根SMA線(xiàn)纜和高帶寬探頭分別連接夾具上的一對(duì)SMA接口，即PCIE某一差分信號(hào)對(duì)中的“+”和“-”信號(hào)線(xiàn)，SMA線(xiàn)纜和高帶寬探頭的另外一端連接到PicoScope 9000示波器上。這樣我們就可以同時(shí)得到基于探頭的測(cè)量結(jié)果和SMA線(xiàn)纜的測(cè)量結(jié)果。如下圖10、圖11所示分別為高速串行信號(hào)的波形和眼圖測(cè)試結(jié)果。

圖9 PCIE信號(hào)的眼圖測(cè)試連接圖

圖10 PCIE信號(hào)的波形測(cè)試結(jié)果（黃色為探頭測(cè)試結(jié)果，藍(lán)色為SMA測(cè)試結(jié)果）

圖11 PCIE信號(hào)的眼圖測(cè)試結(jié)果（黃色為探頭測(cè)試結(jié)果，藍(lán)色為SMA測(cè)試結(jié)果）

四、PicoScope 9000示波器介紹

如下圖12所示，PicoScope 9000是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的模塊化高帶寬采樣示波器，可通過(guò)USB或者以太網(wǎng)與PC連接進(jìn)行高速信號(hào)眼圖的測(cè)試，PicoSample 4軟件運(yùn)行在PC上，實(shí)現(xiàn)對(duì)PicoScope 9000示波器的控制以及對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析等功能。PicoScope 9000系列示波器具有如下特點(diǎn)和功能：

圖12 PicoScope 9000系列示波器

● 25 GHz帶寬

● 16 Bit ADC

● 等效采樣：15 TS/s

● 實(shí)時(shí)采樣率: 1 MS/s

● CDR: 6.3 Mb/s-11.3 Gb/s

● 光輸入帶寬: 9.5 GHz

● 17.5 ps上升時(shí)間

● 集成脈沖/時(shí)鐘/NRZ/RZ信號(hào)源

● 光/電信號(hào)的波形、眼圖、抖動(dòng)、消光比等測(cè)試

● TDR脈沖沿：<65ps or <45ps

● 線(xiàn)纜/連接器/PCB走線(xiàn)等的特征阻抗、損耗及延時(shí)測(cè)試

PicoScope 9000系列示波器型號(hào)對(duì)比：