很多工程師都知道高速信號需要測量眼圖。

那眼圖代表著什么? 

該如何分析眼圖的好與壞,？

以及從眼圖各種形狀上,，我們能知道哪些信息呢？

現(xiàn)代的眼圖分析軟件又有哪些新的功能,？

首先我們先了解關(guān)于眼圖的基本知識

1,、為什么要關(guān)注眼圖

數(shù)字信號的眼圖中包含了豐富的信息，可以體現(xiàn)數(shù)字信號的整體特征,，能夠很好地評估數(shù)字信號的質(zhì)量,，因而眼圖的分析是數(shù)字系統(tǒng)信號完整性分析的關(guān)鍵之一。

2,、眼圖的形成

串行數(shù)據(jù)的傳輸

由于通訊技術(shù)發(fā)展的需要,，特別是以太網(wǎng)技術(shù)的爆炸式應(yīng)用和發(fā)展，使得電子系統(tǒng)從 傳統(tǒng)的并行總線轉(zhuǎn)為串行總線,。串行信號種類繁多,，如 PCI Express、SPI,、USB 等,，其傳 輸信號類型時刻在增加。為何串行總線目前應(yīng)用越來越廣泛呢,？相比并行數(shù)據(jù)傳輸,，串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w特點如下：

1 信號線的數(shù)量減少，成本降低

2 消除了并行數(shù)據(jù)之間傳輸?shù)难舆t問題

3 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

實際中,，描述串行數(shù)據(jù)的常用單位是波特率和UI，串行數(shù)據(jù)傳輸示例如下：

圖 串行數(shù)據(jù)傳輸示例

例如,，比特率為 3.125Gb/s 的信號表示為每秒傳送的數(shù)據(jù)比特位是 3.125G 比特,，對應(yīng)的一個單位間隔即為 1UI。1UI表示一個比特位的寬度,，它是波特率的倒數(shù),，即 1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。現(xiàn)在比較常見的串行信號碼形是 NRZ 碼,，因此在一般的情況下對 于串行數(shù)據(jù)信號,，我們的工作均是針對 NRZ 碼進(jìn)行的。

由于示波器的余輝作用,，將掃描所得的每一個碼元波形重疊在一起,，從而形 成眼圖。眼圖中包含了豐富的信息,，從眼圖上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響,，體現(xiàn)了 數(shù)字信號整體的特征，從而可以估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度,，因而眼圖分析是高速互連系統(tǒng)信號完 整性分析的核心,。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)_,，改善系統(tǒng)的傳輸性能,。

眼圖實際上就是數(shù)字信號的一系列不同二進(jìn)制碼按一定的規(guī)律在示波器屏幕上累積后的顯示，簡單地說,，由于示波器具有余輝功能,，只要將捕獲的所有波形按每三個比特分別地疊加累積 (如上圖所示)，從而就形成了眼圖,。

目前,，一般均可以用示波器觀測到信號的眼圖，其具體的操作方法為：將示波器跨接在接收濾波器的輸出端,，然后調(diào)整示波器掃描周期,，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時示波器屏幕上看到的圖形就稱為眼圖,。示波器一般測量的信 號是一些位或某一段時間的波形,，更多的反映的是細(xì)節(jié)信息，而眼圖則反映的是鏈路上傳輸?shù)乃袛?shù)字信號的整體特征,。

3,、眼圖和實時波形的區(qū)別

· 實時波形能夠反映波形的細(xì)節(jié),，如觀察上升/下降邊沿、過沖,、單調(diào)性等,。

· 眼圖能夠體現(xiàn)信號的整體特征。

· 實時波形很好,，可以說明信號品質(zhì)沒有問題嗎,？不一定，只能代表某些比特,。

· 眼圖很好,，可以說明信號品質(zhì)沒有問題嗎？當(dāng)然可以,。代表整體,。

4、眼圖的衡量指標(biāo)

在對于一個眼圖進(jìn)行好和壞的評估時,，通常都有一些常見的衡量指標(biāo),，比如眼高，眼寬,，抖動,，占空比等，如上圖,。通過對眼睛不同部位的表征,，可以快速地判斷和定性信號的問題。比如眼圖跳變沿交叉點的上下區(qū)域可以代表占空比,，如果上下區(qū)域比例不對稱,，則代表占空比的結(jié)果可能存在問題。

有時候為了能簡單直觀地判斷眼圖指標(biāo)是否符合要求,，可以將規(guī)范定義的要求制作成一個模板,，然后通過示波器來調(diào)用，便可以直接觀察到眼圖是否有接觸到模板,。如果沒有接觸到則表示眼圖的指標(biāo)符合規(guī)范要求,，同樣如果有接觸到模板，也可以根據(jù)接觸的位置針對性的改善,。不需要像傳統(tǒng)的測試方法去一一地測量眼圖指標(biāo)了,。

很多人在稱贊美女的時候，經(jīng)常會用【明眸皓齒】,、【蜂腰美人】或【水蛇腰】來形容,。其實在評判眼圖的質(zhì)量時，這個標(biāo)準(zhǔn)也蠻適用的。這其實就可以當(dāng)作檢查眼圖是否完美的兩個重要準(zhǔn)則：

【明眸皓齒】：眼睛要大,，如果配合上有眼圖模板的話,，那么以眼圖模板當(dāng)作瞳孔，則眼白（Margin）就必須要夠多,。

【蜂腰美人】：如圖7紅綠色圓圈中交叉的部分,，必須要越小越好，最好是一個點,，就像蜂腰美人一樣,，比較瘦小,，因為這里代表的是抖動,，如果太大就會造成誤碼率增加。抖動越小則代表信號質(zhì)量越好,，發(fā)生誤碼的機率越低,。

    前面講到了眼圖模板，眼圖的測試主要是用來檢測高速串行傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量,，不論是SATA,、PCI Express還是USB，標(biāo)準(zhǔn)都有提供眼圖模板的標(biāo)準(zhǔn)給工程師作為眼圖的測量準(zhǔn)則,。如圖8所示,，是USB2.0 TX的眼圖模板，所謂的眼圖模板主要是用在判斷眼圖是否符合規(guī)范的要求,，圖8中ABCDEF6點所圍成的六邊形紅色區(qū)域以及GH以上,、IJ一下區(qū)域代表所謂的【禁止區(qū)域】。

如果眼圖有任何信號波形位進(jìn)入這些紅色區(qū)域,，則表示信號傳輸不滿足協(xié)議規(guī)范的要求(綠色圓圈處)

5,、眼圖反映了信號的完整性

不同的眼圖可以反映不同的信號質(zhì)量，對于有經(jīng)驗的工程師可以從眼圖上發(fā)現(xiàn)信號是否存在阻抗不匹配導(dǎo)致的反射,，以及某種抖動成分偏大,，甚至知道如何來優(yōu)化眼圖質(zhì)量?？傮w來說：

· 眼圖的張開度與抖動和BER相關(guān)聯(lián),；

· 眼圖張開越大，表明對噪聲和抖動的容許誤差越大,；

· 眼圖張開越大,，表明接收器判斷靈敏度越好；

· 眼頂,、眼底和轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)挶砻鹘邮掌髋袛囔`敏度降低

“張開”的眼圖呢,？以下從幾個方面考慮：

(1)考慮 PCB 走線長度：短走線并非始終能夠滿足，短走線意味著低損耗

(2)考慮 PCB 走線寬度：寬走線可以降低趨膚效應(yīng)

(3)減小板材的介電常數(shù)：降低介電損耗(Dielectric Loss),，但將增加成本

(4)信號預(yù)加重和均衡處理：通過對跳變位預(yù)加重(Pre-Emphasis)處理,，補償線路上 因信號跳變產(chǎn)生的針對高頻分量的損耗

(5)  阻抗不連續(xù)造成的反射,，阻抗匹配減少反射

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。

“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,。

6,、眼圖與存儲深度

通常眼圖是由若干個比特(UI)組成，考慮到眼圖測試的精度和穩(wěn)定性,，一般都要求累積到足夠的UI數(shù)再分析,，這個就涉及到示波器的存儲深度。越高的存儲深度,，示波器一次分析的UI數(shù)就會越多,，測試結(jié)果也就越精準(zhǔn)。因此在測量高速信號的眼圖和抖動中,，盡量采用高的存儲深度,。當(dāng)然存儲深度越高，示波器的分析速度相對也會變慢,。

下圖是Keysight實時示波器動態(tài)顯示實時眼圖的累積情況,。眼圖的左上角會顯示累積的UI數(shù)以及示波器捕獲的波形數(shù)。

滿足等式：UI數(shù) = 存儲深度/采樣率*信號速率*波形數(shù)

7,、實時的眼圖表現(xiàn)

另外,，眼圖既然是實時波形的疊加，對于眼圖的分析也應(yīng)該具有實時性,。下圖是Keysight實時示波器測出的眼圖,，在示波器窗口中能看到上半部窗口是實時波形的顯示，下半部窗口是實時眼圖的顯示,。這種同步實時性的顯示功能可以讓工程師更直觀地對波形和眼圖進(jìn)行觀察,，更好地進(jìn)行分析和調(diào)試工作。這種功能也是作為儀器廠商目前唯一支持的。

8,、快速眼圖的測量 (一鍵式眼圖測量)

當(dāng)我們需要測量眼圖時,，需要先進(jìn)行一系列的設(shè)置后才能形成波形的眼圖，比如波形的大小調(diào)整,、信號速率的設(shè)定以及閾值的設(shè)定等,。對于一些關(guān)心測試效率或者需要做大量的信號眼圖測試的用戶來說，他們更希望可以最簡單化地進(jìn)行眼圖的測量,，不用因為信號速率或者幅度不同每次都要重新進(jìn)行眼圖設(shè)置,。是德科技示波器的軟件不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，增加了非常多的人性化功能,。對于眼圖的測量,，我們只需要通過鼠標(biāo)或者觸摸屏控制，一鍵式點擊就可以快速地基于實時波形形成出眼圖,，為用戶提供了非常便捷地方式,。

下圖是我們針對一個10Gbps的高速信號,，進(jìn)行快速眼圖測量,，當(dāng)波形顯示出來后，只要點擊Analyze菜單下面的“Quick Eye Diagrams”就可以快速地形成信號的眼圖,。

9,、Eye Contour 誤碼率眼圖

現(xiàn)在對高速信號的眼圖測量要求越來越高，以前工程師在測量眼圖的時候,，可能在捕獲時間上有多有少的自行定義,，來看眼睛的高度和寬度或者抖動等。現(xiàn)在很多的接口規(guī)范開始要求在一定誤碼率下來評估眼高和眼寬等,，比如在OIF-CEI的標(biāo)準(zhǔn)里對28Gbps信號的眼高眼寬要求,，就定義在1e-15的誤碼率下。

下圖是對V by One的信號進(jìn)行眼圖測量,，該總線規(guī)范也要求了誤碼率1e-9下的眼圖,。在下面的眼圖結(jié)果中可以看到不同誤碼率下的眼圖輪廓，紅色線就是誤碼率1e-9的眼圖輪廓,。

在數(shù)字電路系統(tǒng)中,，發(fā)送端發(fā)送出多個比特的數(shù)據(jù)，由于多種因素的影響,，接收端可能會接收到一些錯誤的比特（即誤碼）,。錯誤的比特數(shù)與總的比特數(shù)之比稱為誤碼率，即Bit Error Ratio,，簡稱 BER,。誤碼率是描述數(shù)字電路系統(tǒng)性能的最重要的參數(shù)。在 GHz 比 特率的通信電路系統(tǒng)中（比如 Fibre Channel、PCIe,、SONET,、SATA），通常要求 BER 小于或等于10^12,。誤碼率較大時,，通信系統(tǒng)的效率低、性能不穩(wěn)定,。影響誤碼率的因素包括抖動,、噪聲、信道的損耗,、信號的比特率等,。

在誤 碼率（BER）的測試中，碼型發(fā)生器會生成數(shù)十億個數(shù)據(jù)比特,，并將這些數(shù)據(jù)比特發(fā)送給輸入設(shè)備,，然后在輸出端接收這些數(shù)據(jù)比特。然后,，誤碼分析儀將接收到 的數(shù)據(jù)與發(fā)送的原始數(shù)據(jù)一位一位進(jìn)行對比,，確定哪些碼接收錯誤，隨后會給出一段時間內(nèi)內(nèi)計算得到的 BER,?？紤]誤碼率測試的需要，我們以下面的實際測試眼圖為參考,，以生成 BER圖,，參考眼圖如下所示：

BER 圖是樣點時間位置 BER(t)的函數(shù)，稱為 BERT 掃描圖或浴缸曲線,。簡而言之,，它 是在相對于參考時鐘給定的額定取樣時間的不同時間 t 上測得的 BER。參考時鐘可以是信 號發(fā)射機時鐘,，也可以是從接收的信號中恢復(fù)的時鐘,，具體取決于測試的系統(tǒng)。以上述的眼圖為參考,，眼睛張開度與誤碼率的關(guān)系以及其 BER 圖如下：

眼睛張開度與誤碼率的關(guān)系

BER(T)掃描或浴缸曲線

上述兩圖中,，BER 圖與眼圖時間軸相同，兩側(cè)與眼圖邊沿相對應(yīng),，樣點位于中心,。BER 一定時，曲線之間的距離是該 BER 上的眼圖張開程度,。在樣點接近交點時,，抖動會導(dǎo)致 BER 提高到最大 0.5,。

10、Multi-Channel Eye Measurement(多通道眼圖測量)

Multi-Channel Eye Measurement 多通道眼圖測量功能,。

本文整理自：

《眼圖分析與測量詳解》李軍

《眼圖背后的故事【明眸】與【蜂腰】》蔣修國