信号完整性剖析根底系列之一 ――关于眼图丈量(上)

您知道吗？眼图的前史能够追溯到大约47年前。在力科于2002年创造依据接连比特位的办法来丈量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的丈量是依据采样示波器的传统办法。
您信任吗？在长时刻的培训和技术支持工作中，咱们发现很少有工程师能完好地精确地了解眼图的丈量原理。许多工程师们往往满足于各种标准权威组织供给的丈量导游，Step by Step，满足于用“全能”的Sigtest软件丈量出来的眼图给出的Pass or Fail定论。这种关于Sigtest的沉迷乃至使有些工程师忘记了眼图是能够作为一项重要的调试东西的。
在我2004年来力科面试前，我也从来没有传闻过眼图。那天面试时，老板反复强调力科在眼图丈量方面的优势，但我不知所云。之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。刚刚我再次Google“眼图”，依然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图丈量。
网络上搜到的关于眼图的文字，呈现频率最多的如下，表达得好像十分地专业，但却在回绝咱们的阅览爱好。
“在实践数字互连体系中，彻底消除码间串扰是好不简单的，而码间串扰对误码率的影响现在尚无法找到数学上便于处理的核算规则，还不能进行精确核算。为了衡量基带传输体系的功用好坏，在实验室中，一般用示波器调查接纳信号波形的办法来剖析码间串扰和噪声对体系功用的影响，这便是眼图剖析法。
假如将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元守时同步时，恰当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显现的图形很象人的眼睛，因而被称为眼图（Eye Map）。
二进制信号传输时的眼图只要一只“眼睛”，当传输三元码时，会显现两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中心的笔直线标明最佳抽样时刻，坐落两峰值中心的水平线是判定门限电平。
在无码间串扰和噪声的抱负情况下，波形无失真，每个码元将堆叠在一起，终究在示波器上看到的是迹线又细又明晰的“眼睛”，“眼”敞开得最大。当有码间串扰时，波形失真，码元不彻底重合，眼图的迹线就会不明晰，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得含糊，“眼”敞开得小了，因而，“眼”打开的巨细标明了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。由此可知，眼图能直观地标明码间串扰和噪声的影响，可点评一个基带传输体系功用的好坏。别的也能够用此图形对接纳滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改进体系的传输功用。一般眼图能够用下图所示的图形来描绘，由此图能够看出：
（1）眼图打开的宽度决议了接纳波形能够不受串扰影响而抽样再生的时刻距离。显着，最佳抽样时刻应选在眼睛打开最大的时刻。
（2）眼图斜边的斜率，标明体系对守时颤动（或差错）的灵敏度，斜率越大，体系对守时颤动越灵敏。

图一眼图
（3）眼图左（右）角暗影部分的水平宽度标明信号零点的改变规模，称为零点失真量，在许多接纳设备中，守时信息是由信号零点方位来提取的，关于这种设备零点失真量很重要。
(4）在抽样时刻，暗影区的笔直宽度标明最大信号失真量。
（5）在抽样时刻上、下两暗影区距离的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超越它就有可能发生过错判定。
（6）横轴对应判定门限电平。 ”
是该专门写篇文章详细解说眼图了！写得不正确、不到位的当地，恳请咱们纠正，以使这篇文章将能不断修正完善，有益于广阔工程师们的学习。

一、串行数据的布景常识
串行信号品种繁复，在图二所示的有PCI Express,Rapid IO,DVI,S-ATA,USB,SDH,XAUI，等，其实现在的盛行总线还远不止这些。每年都出来一些新盛行的串行总线。每些总线差不多都有一个权威组织来界说该总线的信号标准和测验标准，这些组织成员多是由来自于不同公司的专家兼职担任。当然，关于PC的串行总线差不多由Intel来领导。图三所示某依据Intel Chipset的笔记本电脑的结构图中的各种总线,除了DDR和FSB是并行数据之外,其它都是串行数据了。这些权威组织除了界说标准，当然也会有一些利益博弈。所以有新的利益集团(这是一个中性的词)策划推行的时分就可能有新的总线标准出台，这就象3G有三种标准相同。你方唱罢我上台，搞得下流厂商手忙脚乱。
串行数据总线越来越多，权威组织界说的测验标准也纷乱杂乱，我一向觉得该将这么多的权威组织一致为一个权威组织，就叫“串行总线世界工程师协会”好了，假如力科最早建议并领导这个协会，然后界说一系列的串行信号测验标准中都只引荐力科示波器，那么亲爱的朋友们，这个Day Dream的终究成果是什么？示波器职业或许会从头大洗牌。人们总信任权威组织引荐的，比如咱们平常用牙膏等都会信任“中华医学会”之类的引荐.
信号速率不断加倍再加倍，2004年我刚到力科的时分，干流的串行信号速率在PC职业是2.5Gb/s，在通讯职业是3.125Gb/s，现在，PC职业已Double到5Gb/s，通讯职业已Double到6.25Gb/s，并且PC职业的8Gb/s，通讯职业的12.5Gb/s好像已指日可下。速率越来越高，并行数据必定要让坐落串行数据。串行数据传输的典型结构框图如图三所示，“万变不离其宗” ，都是“两根差分线”。比较于并行数据，串行数据的长处是：1，信号线的数量削减。2，消除了并行数据之间传输的推迟问题。

图二串行数据的全体特色

图三某笔记本电脑架构示意图

3，因为时钟是嵌入到数据中的，数据和时钟之间的传输推迟也相同消除了。
4, 传输线的PCB规划也更简单些。
5, 信号完好性测验也更简单。

图四串行信号实例
串行数据的测验点包含了芯片的发送端和接纳端等不同节点。描绘串行数据的常用单位是波特率和UI，比如3.125Gb/s标明为每秒传送的数据比特位是3.125G比特(byte)，对应的一个单位距离（1UI）标明为一个比特位的宽度是波特率的倒数，1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。现在比较常见的串行信号码形是NRZ码。正电平标明”1”，负电平标明“0”。图三所示是示波器捕获到的一组串行信号，虚线之间的时刻距离代表了一个UI，图中对应的码型是101100101010001。

二、眼图的一些基本概念
― “什么是眼图？”
― “眼图便是象眼睛相同形状的图形。”
眼图是用余辉办法累积叠加显现收集到的串行信号的比特位的成果，叠加后的图形形状看起来和眼睛很像，故名眼图。眼图上一般显现的是1.25UI的时刻窗口。眼睛的形状各式各样，眼图的形状也各式各样。经过眼图的形状特色能够快速地判别信号的质量。图六的眼图有“双眼皮”，可判别出信号可能有串扰或预（去）加剧。图七的眼图“眼睛里布满血丝”，这标明信号质量太差，可能是测验办法有过错，也可能是PCB布线有显着过错。图八的眼图十分美丽，这可能是用采样示波器丈量的眼图。

图五眼图界说

图六 “双眼皮”眼图

因为眼图是用一张图形就完好地表征了串行信号的比特位信息，所以成为了衡量信号质量的最重要东西，眼图丈量有时侯就叫“信号质量测验（Signal Quality Test,SQ Test）”。此外，眼图丈量的成果是合格仍是不合格，其判别依据一般是相关于“模板（Mask）”而言的。模板规则了串行信号“1”电平的容限，“0”电平的容限，上升时刻、下降时刻的容限。所以眼图丈量有时侯又被称为“模板测验（Mask Test）”。模板的形状也各式各样，一般的NRZ信号的模板如图五和图八蓝色部分所示。在串行数据传输的不同节点,眼图的模板是不相同的，所以在挑选模板时要注意详细的子模板类型。假如用发送端的模板来作为接纳端眼图模板，可能会一向碰模板。但象以太网信号、E1/T1的信号，不是NRZ码形，其模板比较特别。当有比特位碰到模板时，咱们就以为信号质量欠好，需求调试电路。有的产品要求100%不能碰模板，有的产品是答应碰模板的次数在必定的概率以内。（风趣的是，眼图85%经过模板的产品，功用测验往往是没有问题的，比如我在用的电脑网口总是测验不能经过，但我上网一向没有问题。这让许多公司觉得不必买示波器做信号完好性测验以相同能够做出好产品来，至于山寨版的，更不会去买示波器测眼图了。）示波器中有丈量参数可主动核算出碰到模板的次数。此外，依据“侵略”模板的方位就能知道信号的哪方面有问题然后辅导调试。如图九标明信号的问题主要是下降沿太缓，图十标明1电平缓0电平有“陷落”，可能是ISI问题导致的。

图七 “眼睛布满血丝”的眼图

图八最美丽的“眼睛”

图九下降沿碰到模板的眼图

图十 “1”电平缓“0”电平有“陷落”的模板
和眼图相关的眼图参数有许多，如眼高、眼宽、眼起伏、眼穿插比、“1”电平，“0”电平，消光比，Q因子，平均功率等。图十二标明起伏相关的丈量参数的界说。 “1”电平缓”0”电平标明选取眼图中心的20%UI部分向笔直轴投影做直方图，直方图的中心值分别为“1”电平缓“0”电平。眼起伏标明“1”电平减去“0”电平。上下直方图的3sigm之差标明眼高。图十二、十三、十四，十五标明了其它一些眼图参数的界说，一望而知，在此不再逐个描绘。不过，有经历的工程师知道，在眼图形象很糟糕的时分，眼图参数测验的成果显得很不精确。这时分，建议您能够用力科的自界说眼高丈量办法来丈量，如图十六所示。