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前天,很多工程师都知道需要测量高速信号。 眼图代表什么? 我该如何分析眼图的好与坏? 而且从图表的各种形式中,我们能知道什么样的信息? 现代图解分析软件有哪些新功能?
首先我们先了解关于眼图的基本知识
数字信号图中包含丰富的信息,能够体现数字信号的整体特征,能够较好地评价数字信号的质量,因此分析图是数字系统信号完整性分析的关键之一。
由于通信技术发展的需要特别是以太网技术的爆炸应用和发展电子系统从传统的并行总线转向了串行总线PCI Express、SPI、USB等串行信号的种类很多,传输信号的类型正在增加。 为什么串行总线现在越来越广泛地使用呢? 与并行数据传输相比,串行数据传输的总体特征如下。
减少了信号线数量,降低了成本,解决了并行数据之间的传输延迟问题的时钟被嵌入数据中,同样地消除了数据和时钟之间的传输延迟,使传输线路的PCB设计变得容易,信号的完整性测试也变得容易,实际上也变得容易。 描述串行数据的一般单位是波特率和UI。 串行数据传输的例子如下所示。
作为串行数据传输的示例,在比特率为3.125Gb/s的信号中,表示每秒传输的数据比特是3.125G比特,相应的一个单位间隔是1UI。 1UI表示比特的宽度,是波特率的倒数,1UI=1/(3.125GB/s )=320ps。 因为当前典型的串行信号格式是NRZ码,所以在典型的情况下,针对串行数据信号来说,我们的工作是针对NRZ码来执行的。
通过示波器的余辉作用,将扫描得到的各符号cjdpd叠加在一起,形成眼图。 该图包含丰富的信息,可以从该图中观察到码间串扰和噪声的影响,表示整个数字信号的特征,并可预估系统的优劣,因此该图分析是高速互联系统的另外,可以使用这种模式来调节接收滤波器的特性,以降低符号间串扰并改善系统的传输性能。
眼图实际上是数字信号的一系列不同二进制码按一定规律累积在示波器屏幕上后的表示。 简单地说,由于示波器具有余辉功能,所以只需每3位分别重叠累计捕获的所有cjdpd,就能形成图解。
目前,一般通过示波器观测信号眼图,其具体操作方法是将示波器移至接收滤波器的输出端,调整示波器的扫描周期,使示波器的水平扫描周期与接收符号的周期同步。 此时在示波器画面上看到的图案称为眼图案。 通常在示波器上测量的信号可以是若干比特或固定时间的cjdpd,反映更多的信息,该图反映了在链路上传输的所有数字信号的整体特征。
3、眼图和实时cjdpd的区别
实时cjdpd能够反映cjdpd的细节,如上升/下降沿的观察、过冲、单调性等。 眼图可以体现信号的整体特征。 实时cjdpd很好,能说明信号质量没有问题吗? 不一定只能表示特定的位。 眼睛的照片很好。 你能说明信号质量没有问题吗? 当然可以。 代表全体。4、眼图的衡量指标
对一张图进行好评价和坏评价时,通常如上图所示,有眼高、眼宽、抖动、占空比等常用测量指标。 通过表征眼睛的不同部位,可以快速判断和定性判断信号问题。 例如,沿着图标跳跃的交叉点的上下区域可以表示占空比,如果上下区域的比率不对称,则表示占空比的结果可能有问题。
为了方便直观地判断图表指标是否满足要求,有时可以将规格定义的要求制作为模板,通过示波器调用,直接观察图表是否接触到模板。 如果不接触,表示眼图的指标符合规范要求,同样,如果接触模板,也可以根据接触的位置有针对性地进行改善。 不需要像以往的测试方法那样逐个测量图表的指标。
很多人称赞谦让的鸡时,往往用“明眸皓齿”、“蜂腰美人”或“水蛇腰”来形容。 其实在评价眼图质量的时候,这个标准也相当适用。 这是检查眼睛照片是否完美的两个重要标准。
【明眸皓齿】(眼睛必须大,如果有眼图模板,以眼图模板为瞳孔,需要足够的眼白(Margin )。
【蜂腰美人】(图7的红绿色的圆中交叉的部分,越小越好。 最好的是点,瘦得像蜂腰美人。 这里表示摆动,如果太大,错误率会增加。 抖动越小意味着信号质量越好,发生误码的概率越低。
前面提到的是电路图的模板,该图的测试主要被用于检测高速串行传输的信号质量,而不管是SATA、PCI Express还是USB,标准地提供该图的模板如图8所示,是USB2.0 TX的眼图案的模板。 眼图案模板主要用于判断眼图案是否满足标准要求。 图8中由ABCDEF6点包围的六角形的红色区域和GH以上、IJ以下的区域表示所谓的【禁止区域】。
如果图表中的信号cjdpd位位于这些红色区域,则表示信号传输不符合协议规范要求。 (绿色圆圈) ) )。
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:
眼图的阳光的口红与抖动和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
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cjdpd数。
满足等式:UI数 = 存储深度/采样率信号速率
另外,眼图既然是实时cjdpd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cjdpd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cjdpd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cjdpd的眼图,比如cjdpd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cjdpd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cjdpd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。
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,眼睛阳光的口红与误码率的关系以及其 BER 图如下: