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关于眼图,你要知道的都在这

关键词:眼图 高速信号 以太网技术

时间:2019-06-18 13:28:14      来源:网络

很多工程师都知道高速信号需要测量眼图。那眼图代表着什么?该如何分析眼图的好与坏?

很多工程师都知道高速信号需要测量眼图。

那眼图代表着什么?

该如何分析眼图的好与坏?

以及从眼图各种形状上,我们能知道哪些信息呢?

现代的眼图分析软件又有哪些新的功能?

首先我们先了解关于眼图的基本知识

1、为什么要关注眼图

数字信号的眼图中包含了丰富的信息,可以体现数字信号的整体特征,能够很好地评估数字信号的质量,因而眼图的分析是数字系统信号完整性分析的关键之一。

2、眼图的形成

由于通讯技术发展的需要,特别是以太网技术的爆炸式应用和发展,使得电子系统从 传统的并行总线转为串行总线。串行信号种类繁多,如 PCI Express、SPI、USB 等,其传 输信号类型时刻在增加。为何串行总线目前应用越来越广泛呢?相比并行数据传输,串行数据传输的整体特点如下:

· 信号线的数量减少,成本降低

· 时钟是嵌入到数据中的,数据和时钟之间的传输延迟也同样消除了

· 传输线的 PCB 设计也更容易些

实际中,描述串行数据的常用单位是波特率和UI,串行数据传输示例如下:

图 串行数据传输示例

例如,比特率为 3.125Gb/s 的信号表示为每秒传送的数据比特位是 3.125G 比特,对应的一个单位间隔即为 1UI。1UI表示一个比特位的宽度,它是波特率的倒数,即 1UI=1/(3.125Gb/s)=320ps。现在比较常见的串行信号码形是 NRZ 码,因此在一般的情况下对 于串行数据信号,我们的工作均是针对 NRZ 码进行的。

由于示波器的余辉作用,将扫描所得的每一个码元波形重叠在一起,从而形 成眼图。眼图中包含了丰富的信息,从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响,体现了 数字信号整体的特征,从而可以估计系统优劣程度,因而眼图分析是高速互连系统信号完 整性分析的核心。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整,以减小码间串扰,改善系统的传输性能。

眼图实际上就是数字信号的一系列不同二进制码按一定的规律在示波器屏幕上累积后的显示,简单地说,由于示波器具有余辉功能,只要将捕获的所有波形按每三个比特分别地叠加累积 (如上图所示),从而就形成了眼图。

目前,一般均可以用示波器观测到信号的眼图,其具体的操作方法为:将示波器跨接在接收滤波器的输出端,然后调整示波器扫描周期,使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步,这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。示波器一般测量的信 号是一些位或某一段时间的波形,更多的反映的是细节信息,而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特征。

3、眼图和实时波形的区别

• 实时波形能够反映波形的细节,如观察上升/下降边沿、过冲、单调性等。

• 眼图能够体现信号的整体特征。

• 实时波形很好,可以说明信号品质没有问题吗?不一定,只能代表某些比特。

• 眼图很好,可以说明信号品质没有问题吗?当然可以。代表整体。

4、眼图的衡量指标

在对于一个眼图进行好和坏的评估时,通常都有一些常见的衡量指标,比如眼高,眼宽,抖动,占空比等,如上图。通过对眼睛不同部位的表征,可以快速地判断和定性信号的问题。比如眼图跳变沿交叉点的上下区域可以代表占空比,如果上下区域比例不对称,则代表占空比的结果可能存在问题。

有时候为了能简单直观地判断眼图指标是否符合要求,可以将规范定义的要求制作成一个模板,然后通过示波器来调用,便可以直接观察到眼图是否有接触到模板。如果没有接触到则表示眼图的指标符合规范要求,同样如果有接触到模板,也可以根据接触的位置针对性的改善。不需要像传统的测试方法去一一地测量眼图指标了。

很多人在称赞美女的时候,经常会用【明眸皓齿】、【蜂腰美人】或【水蛇腰】来形容。其实在评判眼图的质量时,这个标准也蛮适用的。这其实就可以当作检查眼图是否完美的两个重要准则:

【明眸皓齿】:眼睛要大,如果配合上有眼图模板的话,那么以眼图模板当作瞳孔,则眼白(Margin)就必须要够多。

【蜂腰美人】:如图7红绿色圆圈中交叉的部分,必须要越小越好,最好是一个点,就像蜂腰美人一样,比较瘦小,因为这里代表的是抖动,如果太大就会造成误码率增加。抖动越小则代表信号质量越好,发生误码的机率越低。

前面讲到了眼图模板,眼图的测试主要是用来检测高速串行传输的信号质量,不论是SATA、PCI Express还是USB,标准都有提供眼图模板的标准给工程师作为眼图的测量准则。如图8所示,是USB2.0 TX的眼图模板,所谓的眼图模板主要是用在判断眼图是否符合规范的要求,图8中ABCDEF6点所围成的六边形红色区域以及GH以上、IJ一下区域代表所谓的【禁止区域】。

如果眼图有任何信号波形位进入这些红色区域,则表示信号传输不满足协议规范的要求(绿色圆圈处)

5、眼图反映了信号的完整性

不同的眼图可以反映不同的信号质量,对于有经验的工程师可以从眼图上发现信号是否存在阻抗不匹配导致的反射,以及某种抖动成分偏大,甚至知道如何来优化眼图质量。总体来说:

• 眼图的张开度与抖动和BER相关联;

• 眼图张开越大,表明对噪声和抖动的容许误差越大;

• 眼图张开越大,表明接收器判断灵敏度越好;

• 眼顶、眼底和转换区域宽表明接收器判断灵敏度降低

“张开”的眼图呢?以下从几个方面考虑:

(1)考虑 PCB 走线长度:短走线并非始终能够满足,短走线意味着低损耗

(2)考虑 PCB 走线宽度:宽走线可以降低趋肤效应

(3)减小板材的介电常数:降低介电损耗(Dielectric Loss),但将增加成本

(4)信号预加重和均衡处理:通过对跳变位预加重(Pre-Emphasis)处理,补偿线路上 因信号跳变产生的针对高频分量的损耗

(5) 阻抗不连续造成的反射,阻抗匹配减少反射

和眼图相关的眼图参数有很多,如眼高、眼宽、眼幅度、眼交叉比、“1”电平,“0”电平,消光比,Q因子,平均功率等。

“1”电平和”0”电平表示选取眼图中间的20%UI部分向垂直轴投影做直方图,直方图的中心值分别为“1”电平和“0”电平。眼幅度表示“1”电平减去“0”电平。上下直方图的3sigm之差表示眼高。

眼图参数定义:幅度相关的测量参数的定义

6、眼图与存储深度

通常眼图是由若干个比特(UI)组成,考虑到眼图测试的精度和稳定性,一般都要求累积到足够的UI数再分析,这个就涉及到示波器的存储深度。越高的存储深度,示波器一次分析的UI数就会越多,测试结果也就越精准。因此在测量高速信号的眼图和抖动中,尽量采用高的存储深度。当然存储深度越高,示波器的分析速度相对也会变慢。

下图是Keysight实时示波器动态显示实时眼图的累积情况。眼图的左上角会显示累积的UI数以及示波器捕获的波形数。

满足等式:UI数 = 存储深度/采样率*信号速率*波形数

7、实时的眼图表现

另外,眼图既然是实时波形的叠加,对于眼图的分析也应该具有实时性。下图是Keysight实时示波器测出的眼图,在示波器窗口中能看到上半部窗口是实时波形的显示,下半部窗口是实时眼图的显示。这种同步实时性的显示功能可以让工程师更直观地对波形和眼图进行观察,更好地进行分析和调试工作。这种功能也是作为仪器厂商目前唯一支持的。

8、快速眼图的测量 (一键式眼图测量)

当我们需要测量眼图时,需要先进行一系列的设置后才能形成波形的眼图,比如波形的大小调整、信号速率的设定以及阈值的设定等。对于一些关心测试效率或者需要做大量的信号眼图测试的用户来说,他们更希望可以最简单化地进行眼图的测量,不用因为信号速率或者幅度不同每次都要重新进行眼图设置。是德科技示波器的软件不断创新和优化,增加了非常多的人性化功能。对于眼图的测量,我们只需要通过鼠标或者触摸屏控制,一键式点击就可以快速地基于实时波形形成出眼图,为用户提供了非常便捷地方式。

下图是我们针对一个10Gbps的高速信号,进行快速眼图测量,当波形显示出来后,只要点击Analyze菜单下面的“Quick Eye Diagrams”就可以快速地形成信号的眼图。

9、Eye Contour 误码率眼图

现在对高速信号的眼图测量要求越来越高,以前工程师在测量眼图的时候,可能在捕获时间上有多有少的自行定义,来看眼睛的高度和宽度或者抖动等。现在很多的接口规范开始要求在一定误码率下来评估眼高和眼宽等,比如在OIF-CEI的标准里对28Gbps信号的眼高眼宽要求,就定义在1e-15的误码率下。

下图是对V by One的信号进行眼图测量,该总线规范也要求了误码率1e-9下的眼图。在下面的眼图结果中可以看到不同误码率下的眼图轮廓,红色线就是误码率1e-9的眼图轮廓。

在数字电路系统中,发送端发送出多个比特的数据,由于多种因素的影响,接收端可能会接收到一些错误的比特(即误码)。错误的比特数与总的比特数之比称为误码率,即Bit Error Ratio,简称 BER。误码率是描述数字电路系统性能的最重要的参数。在 GHz 比 特率的通信电路系统中(比如 Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA),通常要求 BER 小于或等于10^12。误码率较大时,通信系统的效率低、性能不稳定。影响误码率的因素包括抖动、噪声、信道的损耗、信号的比特率等。

在误 码率(BER)的测试中,码型发生器会生成数十亿个数据比特,并将这些数据比特发送给输入设备,然后在输出端接收这些数据比特。然后,误码分析仪将接收到 的数据与发送的原始数据一位一位进行对比,确定哪些码接收错误,随后会给出一段时间内内计算得到的 BER。考虑误码率测试的需要,我们以下面的实际测试眼图为参考,以生成 BER图,参考眼图如下所示:

BER 图是样点时间位置 BER(t)的函数,称为 BERT 扫描图或浴缸曲线。简而言之,它 是在相对于参考时钟给定的额定取样时间的不同时间 t 上测得的 BER。参考时钟可以是信 号发射机时钟,也可以是从接收的信号中恢复的时钟,具体取决于测试的系统。以上述的眼图为参考,眼睛张开度与误码率的关系以及其 BER 图如下:

眼睛张开度与误码率的关系

BER(T)扫描或浴缸曲线

上述两图中,BER 图与眼图时间轴相同,两侧与眼图边沿相对应,样点位于中心。BER 一定时,曲线之间的距离是该 BER 上的眼图张开程度。在样点接近交点时,抖动会导致 BER 提高到最大 0.5。

10、Multi-Channel Eye Measurement(多通道眼图测量)

Multi-Channel Eye Measurement 多通道眼图测量功能。

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