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[经验] 【设计技巧】眼图详解(上)

2019-7-12 05:00:00  453 眼图
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转载:硬件十万个为什么

前天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
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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


串行数据的传输

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 ExpressSPIUSB 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:

1.信号线的数量减少,成本降低

2.消除了并行数据之间传输的延迟问题

3.时钟嵌入到数据中的,数据和时钟之间的传输延迟也同样消除了

4.传输线的 PCB 设计也更容易些

5.信号完整性测试也更容易


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:

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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 1UI1UI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。

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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。

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3、眼图和实时波形的区别

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•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

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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。



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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。

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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。



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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SATAPCI 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8ABCDEF6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】。



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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)



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5、眼图反映了信号的完整性

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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。
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眼图参数定义:幅度相关的测量参数的定义

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