“迷人”的眼圖，“眼花繚亂”的信號完整性測試
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眼圖的歷史說長不長，大約在47年前，眼圖就誕生了。傳統(tǒng)的眼圖測量方法就是利用采樣示波器。即便是專業(yè)的工程師，也很難完整地、準確地理解眼圖的測量原理。而其中大部分人又滿足于各種權威機構提出的標準測量向導，滿足于sigtest軟件，甚至于忘了眼圖也是一種重要的調試工具。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201612/333632.htm在搜索引擎中搜到的關于眼圖的資料，每一篇都表達得似乎非常地專業(yè)，但卻總感覺趣味索然。
在實際數(shù)字互連系統(tǒng)中，想要完全消除碼間串擾是是不太可能的，而碼間串擾對誤碼率的影響目前尚無法找到數(shù)學上便于處理的統(tǒng)計規(guī)律，也就無法進行準確計算。為了衡量基帶傳輸系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，在實驗室中，通常用示波器觀察接收信號波形的方法來分析碼間串擾和噪聲對系統(tǒng)性能的影響，這就是眼圖分析法。
如果將輸入波形輸入示波器的Y軸，并且當示波器的水平掃描周期和碼元定時同步時，適當調整相位，使波形的中心對準取樣時刻，在示波器上顯示的圖形因為很像人的眼睛，所以被稱作眼圖（EyeMap）。
二進制信號傳輸時的眼圖只有一只“眼睛”，當傳輸三元碼時，會顯示兩只“眼睛”。眼圖是由各段碼元波形疊加而成的，眼圖中央的垂直線表示最佳抽樣時刻，位于兩峰值中間的水平線是判決門限電平。
在無碼間串擾和噪聲的理想情況下，波形無失真，每個碼元將重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線又細又清晰的“眼睛”，“眼”開啟得最大。當有碼間串擾時，波形失真，碼元不完全重合，眼圖的跡線就會不清晰，引起“眼”部分閉合。若再加上噪聲的影響，則使眼圖的線條變得模糊，“眼”開啟得小了，因此，“眼”張開的大小表示了失真的程度，反映了碼間串擾的強弱。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串擾和噪聲的影響，可評價一個基帶傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾和改善系統(tǒng)的傳輸性能。
通常眼圖可以用下圖所示的圖形來描述，由此圖可以看出：
?。?）眼圖張開的寬度決定了接收波形可以不受串擾影響而抽樣再生的時間間隔。顯然，最佳抽樣時刻應選在眼睛張開最大的時刻。
?。?）眼圖斜邊的斜率，表示系統(tǒng)對定時抖動（或誤差）的靈敏度，斜率越大，系統(tǒng)對定時抖動越敏感。
圖1眼圖
?。?）眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號零點的變化范圍，稱為零點失真量，在許多接收設備中，定時信息是由信號零點位置來提取的，對于這種設備零點失真量很重要。
?。?）在抽樣時刻，陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號失真量。
?。?）在抽樣時刻上、下兩陰影區(qū)間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就有可能發(fā)生錯誤判決。
?。?）橫軸對應判決門限電平。
下面就針對“眼圖”這個話題和大家一起探討下。
1 串行數(shù)據(jù)
串行信號種類繁多，在圖2所示的有PCIExpress,RapidIO,DVI,S-ATA,USB,SDH,XAUI，等，其實現(xiàn)在的流行總線還遠不止這些。每年都出來一些新流行的串行總線。每些總線差不多都有一個權威機構來定義該總線的信號標準和測試規(guī)范，這些機構成員多是由來自于不同公司的專家兼職擔任。當然，關于PC的串行總線差不多由Intel來領導。圖3所示某基于IntelChipset的筆記本電腦的框架圖中的各種總線，除了DDR和FSB是并行數(shù)據(jù)之外，其它都是串行數(shù)據(jù)了。這些權威機構除了定義規(guī)范，當然也會有一些利益博弈。所以有新的利益集團（這是一個中性的詞）策劃推廣的時候就可能有新的總線規(guī)范出臺，這就象3G有三種標準一樣。
圖2 串行數(shù)據(jù)的整體特點
信號速率不斷加倍再加倍，2004年我剛到力科的時候，主流的串行信號速率在PC行業(yè)是2.5Gb/s，在通信行業(yè)是3.125Gb/s，如今，PC行業(yè)已Double到5Gb/s，通信行業(yè)已Double到6.25Gb/s，而且PC行業(yè)的8Gb/s，通信行業(yè)的12.5Gb/s似乎已指日可待。速率越來越高，并行數(shù)據(jù)必然要讓位于串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫徒Y構框圖如圖3所示，縱然千變?nèi)f化，都是“兩根差分線”。
圖3 某筆記本電腦架構示意圖
相比于并行數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)的優(yōu)點是：
a信號線的數(shù)量減少
b 消除了并行數(shù)據(jù)之間傳輸?shù)难舆t問題
c 因為時鐘是嵌入到數(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
d 傳輸線的PCB設計也更容易些
e 信號完整性測試也更容易
圖4 串行信號實例
串行數(shù)據(jù)的測試點包括了芯片的發(fā)送端和接收端等不同節(jié)點。描述串行數(shù)據(jù)的常用單位是波特率和UI，譬如3.125Gb/s表示為每秒傳送的數(shù)據(jù)比特位是3.125G比特（byte），對應的一個單位間隔（1UI）表示為一個比特位的寬度是波特率的倒數(shù)，1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps?，F(xiàn)在比較常見的串行信號碼形是NRZ碼。正電平表示”1”，負電平表示“0”。圖三所示是示波器捕獲到的一組串行信號，虛線之間的時間間隔代表了一個UI，圖中對應的碼型是101100101010001。
2 眼圖的基本概念
眼圖是指利用實驗的方法估計和改善（通過調整）傳輸系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調整示波器掃描周期，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像人的眼睛，故稱 為 “眼圖”。從“眼圖”上可 以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾和改善系統(tǒng)的傳輸性能。
眼圖是用余輝方式累積疊加顯示采集到的串行信號的比特位的結果，疊加后的圖形形狀看起來和眼睛很像，故名眼圖。眼圖上通常顯示的是1.25UI的時間窗口。眼睛的形狀各種各樣，眼圖的形狀也各種各樣。通過眼圖的形狀特點可以快速地判斷信號的質量。圖6的眼圖有“雙眼皮”，可判斷出信號可能有串擾或預（去）加重。圖7的眼圖“眼睛里布滿血絲”，這表明信號質量太差，可能是測試方法有錯誤，也可能是PCB布線有明顯錯誤。圖8的眼圖非常漂亮，這可能是用采樣示波器測量的眼圖。
圖5 眼圖定義
圖6 “雙眼皮”眼圖
由于眼圖是用一張圖形就完整地表征了串行信號的比特位信息，所以成為了衡量信號質量的最重要工具，眼圖測量有時侯就叫“信號質量測試”。此外，眼圖測量的結果是合格還是不合格，其判斷依據(jù)通常是相對于模板而言的。模板規(guī)定了串行信號“1”電平的容限，“0”電平的容限，上升時間、下降時間的容限。所以眼圖測量有時侯又被稱為“模板測試（MaskTest）”。模板的形狀也各種各樣，通常的NRZ信號的模板如圖5和圖8藍色部分所示。在串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌?jié)點，眼圖的模板是不一樣的，所以在選擇模板時要注意具體的子模板類型。如果用發(fā)送端的模板來作為接收端眼圖模板，可能會一直碰模板。但象以太網(wǎng)信號、E1/T1的信號，不是NRZ碼形，其模板比較特別。當有比特位碰到模板時，我們就認為信號質量不好，需要調試電路。有的產(chǎn)品要求100%不能碰模板，有的產(chǎn)品是允許碰模板的次數(shù)在一定的概率以內(nèi)。（有趣的是，眼圖85%通過模板的產(chǎn)品，功能測試往往是沒有問題的）示波器中有測量參數(shù)可自動統(tǒng)計出碰到模板的次數(shù)。此外，根據(jù)“侵犯”模板的位置就能知道信號的哪方面有問題從而指導調試。如圖九表明信號的問題主要是下降沿太緩，圖10表明1電平和0電平有“塌陷”，可能是ISI問題導致的。
圖7 “眼睛布滿血絲”的眼圖
圖8 最漂亮的“眼睛”
圖9 下降沿碰到模板的眼圖
圖10 “1”電平和“0”電平有“塌陷”的模板
和眼圖相關的眼圖參數(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。圖11表示幅度相關的測量參數(shù)的定義。“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。圖12、13、14、15表示了其它一些眼圖參數(shù)的定義，一目了然，在此不再一一描述。不過，有經(jīng)驗的工程師知道，在眼圖形象很糟糕的時候，眼圖參數(shù)測試的結果顯得很不準確。這時候，建議用力科的自定義眼高測量方法來測量，如圖16所示。
圖11 眼圖參數(shù)定義
圖12 眼圖參數(shù)定義
圖13 眼圖參數(shù)定義
圖14 眼圖參數(shù)定義
圖15 眼圖參數(shù)定義
圖16 自定義眼高測量方法
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