只有睁大了“眼睛”,才能看清万千的世界 – 数字信号分析

2017-12-2909:10:53 评论 1,031 views

1    什么是眼图?

在数字信号分析中,常常会提到“眼图”一词。眼图,看名称就能想象它像一只人的眼睛。那什么叫眼图?眼图是用示波器余辉的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像眼睛的外形,故名眼图。在示波器的显示屏上,我们就能看到一只只像眼睛一样的眼图。如下图所示:

图一

眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形,它包含了丰富的信息,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。

 

 眼图是如何形成的?

那为什么会形成眼图呢?这是一系列数字信号叠加在一起而形成的,因为数字信号有高电平与低电平的变化,比如,以3个Bit数字信号为例。它有8种组合。

000,001,010,011,100,101,110,111

如果有这无数的这些序列按一个基准点把他们对齐,然后这些波形叠加在一起,原理如下图所示

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图二

这是理想的眼图,这个眼睛睁得足够大。如果信号不是那么好,有噪声或码间串扰很大的话,就会使眼图的眼睛变小。线迹变得模糊不清。

 

3   眼图中能看出信号的哪些信息?

 

1,线粗代表什么意思?

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图三

如上图所示,这里线变的越粗,说明信号的噪声与码间串扰越强。眼睛睁的越大,而且眼图越端正,说明信号的码间串扰越小。如果信号中还有噪声,会使眼睛变得更小,原来线迹清晰、端正的眼图将会变得模糊不清而且呈现带状。

 

2,眼高代表什么意思?

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图四

上图可以看出眼高越高,这个信号越好。两条红色横线是VIH与VIL,左边、右边的箭头是信号从0到1转变的时刻。这两个箭头越宽,说明越接近原信号的建立时间和保持时间。这两个箭头越小,说明信号不完整,产生的反射,干扰等。这也代表了这个信号的噪声容限。

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。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,低电平的电压值低与输入低电平VIL。这个就可以从上面二条红线可以看出这个眼图是不是符合要求。

 

3,眼宽代表什么意思

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图五

如上图所示,红箭头表示眼宽,当信号很多叠加在一起时,眼宽就很好的反映了这个信号稳定时间。

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”“0”电平的容限,上升、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信号的模板如上图五中间的黑色部分。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。但像以太网信号、E1/T1的信号,不是NRZ码形,其模板比较特别。

如果我们实际测试当中,碰到模板了,就要合理分析设法解决这个问题。但有些产品要求不是很高,允许小范围的碰到模块。这就是设计者对质量的追求和适应市场需求之间相互权衡的问题。

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图六

上图六的问题是下降沿太平缓导致与模板相交,说明负载电容过大,拉缓了下降时间。

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图七

上图七的问题是有大幅度振铃现象,说明阻抗不连续或不匹配等问题。

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图八

上图八这是左右双线,这可能是时钟信号不稳定等问题。

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图九

上图九,这是全双线,是调制电流或功率控制不稳等原因造成的。

 

4   进阶参数

 

1 ,消光比

消光比(extinction ratio的公式如下:

消光比就是1电平与0电平平均值的比值。消光比在光通信发射端的量测是相当重要的参数。它越大,说明信号接收端能得到更清晰的“0”“1”信号,也就能拥有更好的逻辑鉴别率。

 

2,眼交叉比

眼交叉比就是交叉点与1电平,0电平之间的位置关系。如下图所示

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图十

这个交叉点靠近1电平,这个代表了信号传递1电平或0电平的能耐。1电平传递越多,交叉点越靠近1。0电平传递越多,交叉点越靠近0电平。

原理如下图所示:

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图十一

上图第一幅交叉点在上面,说明1电平越宽,反之交叉点在下边,就会0电平越宽

对于一般的信号而言,平均分布信号位准1 及0 是最常见的。一般要求眼图交叉比为50%,即以相同的信号脉冲1 与0 长度为标准,来作相关参数的验证。因此,根据眼交叉比关系的分布,可以有效地测量因不同1 及0 信号位准的偏差所造成的相对振幅损失分析。例如,眼交叉比过大,即传递过多1 位准信号,将会依此交叉比关系来验证信号误码、屏蔽及其极限值。眼交叉比过小,即传递过多0位准信号,一般容易造成接收端信号不易从其中抽取频率,导致无法同步,进而产生同步损失。

 

3 Q因子

Q因子的公式如下

上面是1电平与0电平的平均值之差,也就是眼幅度;

下面是1电平与0电平噪声有效值之和;

这个Q因子代表了信号的质量,Q因子越大,说明信噪比越好,信号越好。

Q 因子一般受噪声、光功率、电信号是否从始端到终端阻抗匹配等因素影响。