何为眼图


在对高速串行数字信号进行测试和验证的场合,我们会用示波器测试眼图,从而判别对应信号的质量、设备的稳定度、信道质量,从而判别出哪里出了问题。眼图文章从以下几个问题来讨论:什么是眼图、眼图用在什么场合、反映了波形什么信息,会通过例子具体分析眼图含义。

眼图(英语:eye pattern)是电信系统的一种示波器显示,显示接收器上的数字信号,而以资料速度来触发水平的更新,在许多不同的编码系统下,眼图看来会像几个并排在一起的眼睛,故此得名。眼图会将特定时间内所有可能的变化都重叠在一个屏幕上,是在基频方波调制系统中,评估信道噪声及符码间干扰的实验工具。

借由分析眼图可以看出许多系统的性能和问题,例如信号太长或太短、和时脉的同步不佳、信号电压太高或太低、太多噪声、变化太慢、或是有过冲 ( overshoot ) 或下冲(undershoot),都可以在眼图上看出。若眼图的“眼睛”部分越大,表示信号失真的幅度越小,若因噪声或是符码间干扰造成的信号失真,会使眼图的“眼睛”部分变小。

眼图反映的是数字信号受物理器件、信道的影响,工程师可以通过眼图,迅速得到待测产品中信号的实测参数,并且可以预判在现场可能发生的问题。

眼图的形成:对于数字信号,其高电平与低电平的变化可以有多种序列组合。以3个bit为例,可以有000-111共8中组合,在时域上将足够多的上述序列按某一个基准点对齐,然后将其波形叠加起来,就形成了眼图。如图1。对于测试仪器而言,首先从待测信号中恢复出信号的时钟信号,然后按照时钟基准来叠加出眼图,最终予以显示。

眼图的形成

眼图中包含的信息:对于一幅真实的眼图,如下图2,首先可以看出数字波形的平均上升时间(Rise Time)、下降时间(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/Crossing Percent)等基本的电平变换的参数。

电平变换参数

信号不可能每次高低电平的电压值都保持完全一致,也不能保证每次高低电平的上升沿、下降沿都在同一时刻。如图3,由于多次信号的叠加,眼图的信号线变粗,出现模糊(Blur)的现象。所以眼图也反映了信号的噪声和抖动:在纵轴电压轴上,体现为电压的噪声(Voltage Noise);在横轴时间轴上,体现为时域的抖动(Jitter)。

噪声和抖动

由于噪声和抖动,眼图上的空白区域变小。如图4,在除去抖动和噪声的基础上,眼图上空白的区域在横轴上的距离称为眼宽(Eye Width),在眼图上叠加的数据足够多时,眼宽很好的反映了传输线上信号的稳定时间;同理,眼图上空白的区域在纵轴上的距离称为眼高(Eye Height),在眼图上叠加的数据足够多时,眼高很好的反映了传输线上信号的噪声容限,同时,眼图中眼高最大的地方,即为最佳判决时刻。

眼高和眼宽

数字信号在采样前后,需要有一定的建立时间(Setup Time)和保持时间(Hold Time),数字信号在这一段时间内应保持稳定,才能保证正确采样,如图5.1中蓝色部分。而对于输入电平的判决,需要高电平的电压值高于输入高电平VIH,低电平的电压值地与输入低电平VIL,如图5.1中的绿色部分。所以,我们可以得知最早的采样时刻和最晚的采样时刻如下图所示。

采样和判决A

采样和判决B

在最佳采样时刻,采样的误码率是最低的,而随着采样时刻向时间轴两侧的移动,误码率不断增大,如图6所示。所以工程上也经常画出信号采样周期内误码率的变化曲线,称为澡盆曲线(Bathtub Curve)。

澡盆曲线

在实际测试时,为了提高测试效率,经常使用到的方法是Mask Testing。即根据信号传输的需求,在眼图上规定一个区域(如图7中的菱形区域),要求左右的信号全部出现在这个区域之外,一旦菱形区域内有出现信号,则宣布测试未通过。

Mask Testing

眼图可以显示出数字信号的传输质量,经常用于需要对电子设备、芯片中串行数字信号或者高速数字信号进行测试及验证的场合,归根结底是对数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段。因为信号的抖动,反映在时域上信号的稳定时间减小,眼图眼宽变窄;信号的噪声,反映在信号幅度上,眼图眼高变小,眼高很好的反映了噪声容限。在测试中,我们会使用Mask Testing,可以很方便的判断测试的眼图是否满足信号协议。


 

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作者:杭州卿萃科技ALIFPGA

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posted @ 2018-09-11 09:15  alifpga  阅读(1224)  评论(0编辑  收藏  举报