眼图测量基础知识

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1、 “眼图就是象眼睛一样形状的图形。” 眼图是用余辉方式累积叠加显示采集到的串行信号的比特位的结果，叠加后的图形形状看起来和眼睛很像，故名眼图。眼图上通常显示的是1.25UI的时间窗口。眼睛的形状各种各样，眼图的形状也各种各样。通过眼图的形状特点可以快速地判断信号的质量。图六的眼图有“双眼皮”，可判断出信号可能有串扰或预（去）加重。图七的眼图“眼睛里布满血丝”，这表明信号质量太差，可能是测试方法有错误，也可能是PCB布线有明显错误。 图八的眼图非常漂亮，这可能是用采样示波器测量的眼图。 图五 眼图定义 图六 “双眼皮”眼图由于眼图是用一张图形就完整地表征了串行信号的比特位信息，所以成为了衡量信号

2、质量的最重要工具，眼图测量有时侯就叫“信号质量测试（Signal Quality Test,SQ Test）”。 此外，眼图测量的结果是合格还是不合格，其判断依据通常是相对于“模板（Mask）”而言的。 模板规定了串行信号“1”电平的容限，“0”电平的容限，上升时间、下降时间的容限。所以眼图测量有时侯又被称为“模板测试（Mask Test）”。 模板的形状也各种各样，通常的NRZ信号的模板如图五和图八蓝色部分所示。在串行数据传输的不同节点,眼图的模板是不一样的，所以在选择模板时要注意具体的子模板类型。 如果用发送端的模板来作为接收端眼图模板，可能会一直碰模板。但象以太网信号、E1/T1的信号，

3、不是NRZ码形，其模板比较特别。当有比特位碰到模板时，我们就认为信号质量不好，需要调试电路。有的产品要求100%不能碰模板，有的产品是允许碰模板的次数在一定的概率以内。（有趣的是，眼图85%通过模板的产品，功能测试往往是没有问题的，譬如我在用的电脑网口总是测试不能通过，但我上网一直没有问题。这让很多公司觉得不用买示波器做信号完整性测试以一样可以做出好产品来，至于山寨版的，更不会去买示波器测眼图了。）示波器中有测量参数可自动统计出碰到模板的次数。此外，根据“侵犯”模板的位置就能知道信号的哪方面有问题从而指导调试。如图九表明信号的问题主要是下降沿太缓，图十表明1电平和0电平有“塌陷”，可能是ISI

4、问题导致的。 图七 “眼睛布满血丝”的眼图 图八 最漂亮的“眼睛” 图九 下降沿碰到模板的眼图 图十 “1”电平和“0”电平有“塌陷”的模板 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。图十二表示幅度相关的测量参数的定义。 “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。图十二、十三、十四，十五表示了其它一些眼图参数的定义，一目了然，在此不再一一描述。不过，有经验的工程师知道，在眼图

5、形象很糟糕的时候，眼图参数测试的结果显得很不准确。这时候，建议您可以用力科的自定义眼高测量方法来测量，如图十六所示。 图十一 眼图参数定义 图十二 眼图参数定义 图十三 眼图参数定义 图十四 眼图参数定义 图十五 眼图参数定义 图十六 自定义眼高测量方法三、眼图测量方法之前谈到，眼图测量方法有两种：2002年以前的传统眼图测量方法和2002年之后力科发明的现代眼图测量方法。传统眼图测量方法可以用两个英文关键词来表示：“Triggered Eye”和“Single-Bit Eye”。 现代眼图测量方法用另外两个英文关键词来表示：“Continuous-Bit Eye ”和“Single-Shot

6、 Eye”。 传统眼图测量方法用中文来理解是八个字：“同步触发+叠加显示”，现代眼图测量方法用中文来理解也是八个字：“同步切割+叠加显示”。 两种方法的差别就四个字：传统的是用触发的方法，现代的是用切割的方法。“同步”是准确测量眼图的关键，传统方法和现代方法同步的方法是不一样的。“叠加显示” 就是用模拟余辉的方法不断累积显示。传统的眼图方法就是同步触发一次，然后叠加一次。每触发一次，眼图上增加了一个UI，每个UI的数据是相对于触发点排列的，因此是“Single-Bit Eye”,每触发一次眼图上只增加了一个比特位。图一形象表示了这种方法形成眼图的过程。图一 传统眼图测量方法的原理传统方法的第一

7、个缺点就是效率太低。对于现在的高速信号如PCI-Express Gen2，PCI-SIG要求测量1百万个UI的眼图，用传统方法就需要触发1百万次，这可能需要几个小时才能测量完。第二个缺点是，由于每次触发只能叠加一个UI,形成1百万个UI的眼图就需要触发1百万次，这样不断触发的过程中必然将示波器本身的触发抖动也引入到了眼图上。对于2.5GBbps以上的高速信号，这种触发抖动是不可忽略的。如何同步触发，也就是说如何使每个UI的数据相对于触发点排列？也有两种方法，一种方法是在被测电路板上找到和串行数据同步的时钟，将此时钟引到示波器作为触发源，时钟的边沿作为触发的条件。 另外一种方法是将被测的串行信号

8、同时输入到示波器的输入通道和硬件时钟恢复电路(CDR)通道，硬件CDR恢复出串行数据里内嵌的时钟作为触发源。 这种同步方法引入了CDR抖动，这是传统方法的第三个缺点。 此外，硬件CDR只能侦测连续串行信号才能工作正常，如果被测信号不是连续的，譬如两段连续比特位之间有一段低电平，硬件CDR就不能恢复出正确的时钟。另外，传统方法的工作原理决定了它不能对间歇性的串行信号做眼图，不能对保存的波形做眼图，不能对运算后的波形做眼图，这限制了应用范围。 这是传统方法的第四个缺点。力科于2002年发明的现代方法形成眼图的原理如图二所示。 示波器首先捕获一组连续比特位的信号，然后用软件PLL方法恢复出时钟，最后

9、利用恢复出的时钟和捕获到的信号按比特位切割，切割一次，叠加一次，最终将捕获到的一组数据的每个比特位都叠加到了眼图上。在力科的示波器中，恢复出的时钟可以单独输出来另作它用。软件PLL方法恢复时钟代替了传统方法中的硬件CDR方法是一大进步。我们需要对软件PLL的工作原理深入理解。关于软件PLL，我们将另文介绍。 如果一次捕获了1百万UI的PCI-E Gen2的数据，那么用这种方法基于力科的第四代示波器可以在1-2秒内形成眼图，因此，这种方法形成眼图的效率非常高，这是现代方法的第一个优点。此外，该方法通过触发一次捕获的大量数据就能形成大量数据的眼图，触发抖动约等于零，这是该方法的第二个优点。由于是用

10、软件PLL方法，因此时钟恢复抖动也为零，这是该方法的第三个优点。该方法可以对局部放大之后的波形做眼图，可以对历史保存的波形做眼图，可以有一些高级眼图分析功能，如眼图失败定位跟踪功能，ISOBer功能等，这是该方法的第四个优点。图二 现代眼图测量方法的原理 图三所示清楚表示了现代方法对于非连续性的信号做眼图的优势。传统的方法无法分离出发射数据和接收数据，但用现代的方法则能隔离出发射和接收数据。 在实际应用中这种非连续性的信号比较常见，如处于实际工作模式下的PON信号，就是突发的一帧一帧的数据。图三 现代眼图方法的优势对局部放大之后的波形做眼图 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势自2002年

11、力科发明创新的眼图测量方法以来,力科一直在眼图测量方面保持了绝对领先优势。 力科的串行数据分析仪SDA系列成为测量眼图的首选工具。现在总结力科公司在眼图测量方面的特点和优势如下： 1，眼图测量是衡量高速信号质量的最常用方法。力科是业界最先采用软件恢复时种的方法来形成眼图的，而现在这种方法已成为眼图测量的行业标准。也就是说，力科定义了眼图测量的新标准。 前面已详细比较了两种方法的优缺点。下面这张图片是用力科示波器和其它品牌示波器测试相同信号的对比。用传统方法引入的触发抖动和CDR抖动带来了150ps的峰-峰值误差,这是不能忽略的误差。在力科的示波器中保留了用硬件时钟形成图的功能，但已几乎没有工程

12、师再喜欢用这种传统的方法了。图四 现代方法和传统方法测量眼图的差别2,力科示波器的眼图测量操作界面非常的简洁快速, 而且不需要利用第三方面软件，眼图的测试结果显示在示波器显示界面上，不需要打开第三个窗口。 在关于示波器的第三方调查报告中，易于操作常作为使用者对理想示波器的期待的首项。 “Although ease-of-use means different things to different people.”,但稍微有一点点公正之心的人都会同意这个结论：力科示波器的操作界面是最清晰简洁的，最容易上手的，眼图测量更是最方便的。 图五是力科SDA操作界面。一级菜单，一目了然的操作步骤。第一步

13、点击选择信号源，第二步选择信号类型，第三步查找比特率，第四步点击眼图出来了。如果PLL不是Golden PLL，多一次点击PLL设置的操作。 第一步、第二步、第三步在第一次进入测试界面设置完成后，随后不用再重复设置。所以在持续测试过程中，通常每次只需要点一键“Mask Tes”就产生了眼图。更是可以在点击“Summary”之后，同时产生了眼图、浴盆曲线、抖动趋势图、抖动直方图、各种抖动测量参数等,如图六所示。何其方便哉！ 图五 力科SDA 眼图测试操作步骤 在一次面对面的PK中，客户要求同时测量眼图和抖动参数，我们一秒钟操作完之后，大家开始观看T公司的AE在操作，只见鼠标飞速点击上百次，结果等

14、了整整几分钟后还不见结果出来（也有可能那天是操作上出现了失误）。 一级又一级深埋的菜单，呼啦啦弹出一个又一个的窗口。图七就是那次PK的时候D公司点击上百次鼠标之后的结果。但显然和力科的图片相比，缺少了抖动测量参数。 这些参数去哪里了？为什么没有显示出来？ 因为D公司的示波器测试眼图的窗口和眼图参数的窗口是两个窗口，不能同时保存起来，除非是接上键盘按PrintScreen键。 为了完成眼图测量，D公司的示波器总共需要有四个窗口操作设置窗口，眼图结果显示窗口，测量参数窗口，示波器自身的窗口。除了窗口多以外，D公司的眼图测量操作真的有那么复杂吗？是的，但也未必，如果你是D公司示波器的Fans，你已经

15、知道如何飞速地点击鼠标，可能你也不会觉得复杂，但对于初学者，其操作怎一个“烦”字了得！ 第一次我们在培训中和D公司的示波器亲密接触，我和我的同事们都象遇到一个刺猬一样无从下手，最后都只得利用其操作向导的方式（如图八所示）来执行，但这种向导方式必须要设置七步，每一步至少要点击两次鼠标。操作到第七步时如果发现第一步设置不对，要重新点击六次回到第一步。但如果第三步时发现被测信号不是标准的总线信号，这个向导似乎不能用来测试普通的串行信号。（可能有更简便的操作步骤，我仅提供的是我两次测试的体验感受，不对之处，请指正。） 第一次操作了D的眼图测量之后激起了我对它的操作步骤的强烈兴趣，我下载了RT-EYE 图六 一键操作，信息大全 图七 D公司的资深工程师点击上百次鼠标之后的结果，但测量参数结果不见了 图八 D公司示波器眼图测量操作步骤软件包的操作手册，在操作手册的第66页，有图九所示的操作说明示意图。 仅此一图便可见其操作之繁琐了，难怪D公司的AE不太愿意去教会工程师们去用他们的眼图测量功能， D公司的眼图软件是基于外挂的Java程序开发的，操作的繁琐和界面的复杂是由该基因决定的。图九 引自RT-EYE软件