详解眼图(上)

2017-12-2909:55:03 评论 1,330 views

1.1.       什么是眼图?

用于研究高速数字系统物理层信号故障原因的眼图,通常也被用于诊断发射器输出一致性测试中的幅度和时间轴上的误码率(BER)劣化的原因。

在宽的带宽上可捕获到眼图,它是在零电平和一电平被重复(叠加)绘制的过渡波形中所产生的高速数字信号的瞬时样本。以这种方式绘制信号,可形成一个具有开放形中心且看起来像眼睛的图形(下图)。

如上图所示,眼图时间轴被归一化到2个比特位。1比特位的眼开口显示在屏幕中心,而上升和下降过渡皆显示在眼开口每一侧上的1/2个比特位以便于确认。数字信号上升/下降过渡数据位进入眼开口的位置被标识为数据错误。

尽管上图所示的眼图有一些轻微的噪声,在实际的数据系统中,通常观察到眼闭合且有更多的噪声进入眼开口。一般在眼开口大时(如图中箭头所示),传输系统接收器错误地识别逻辑电平1和0的概率较低。评估像这样的逻辑电平需要在信号电平0和1之间存在一些容限。当眼开口因幅度轴上的噪声和时间轴上的抖动而变小时,这个容限会随着变小。被错误识别的错误位对所有数据位的比率被称为误码率(BER)。

虽然从眼图无法发现协议和逻辑问题,但它是可观测在幅度和时间轴上的失真作为物理层上的信号故障的一个简单方法。图3显示了眼图故障诊断的简单使用方式。左侧的屏幕通过用作被测设备(DUT)的传输路径显示了电路板的眼图,右侧的屏幕显示由手指按下电缆导致的劣化眼图,我们可看到会因此产生局部并行容量。这个容量的增加大大降低了脉冲上升和下降的时间,导致眼开口明显地缩小。左侧的屏幕是纯净的眼图,没有失真(数据速率为9.8Gbps)。

1.2     直方图基础

由于直方图在眼图的统计分析方面有许多用途,因此尽管与本应用指南的主题并不直接相关,但本部分首先解释直方图和一些统计术语。

测量数字信号波形失真时,“统计平均值”和“标准偏差”是重要的术语。在传输波形的实际测量中,在理想的情况下,直方图应该符合正态分布。如图4所示,正态分布的直方图可用于对术语“平均值”和“标准偏差”的解释。

1.3      眼图(Y轴)相关定义

用来表示眼图幅度特性的术语有很多种,而有关幅度(Y轴)失真的测量是使用眼图直方图来进行计算的。这些术语的解释如下。

1.3.1    一电平和零电平

图5显示了眼图一电平的定义。在右侧图时间轴上的脉冲图形中所表示的箭头符号为逻辑电平1。请注意,该图中包括一系列脉冲11和111,以及00和000。在左侧的眼图下方,从0%到100%的刻度则表示从眼图(眼周期)的左侧到右侧的交叉点。

电平1是样本眼周期中心20%的直方图的平均值。这个中心20%的范围被称为40%至60%区域。(位于眼图下方刻度的黄色部分)

眼图零电平的定义与一电平一样。它是通过位于样本眼周期40%和60%之间的中心20%区域的直方图中的平均值来计算的(图6)。

1.3.2     眼幅度和眼高

图7显示了眼幅度和眼高的定义。眼幅度是通过计算一电平和零电平的直方图中的平均值之间的差来求出的数值。眼高则是通过计算一电平和零电平的直方图内部的3σ点之间的差来求出的(图7)。

眼幅度和眼高是有关电压幅度的常用关键术语。接收器逻辑电路根据眼幅度将数据位评估为逻辑电平0和逻辑电平1。另外,要是数据位进入超出眼的内部3σ点的中心则会被检测为错误,所以眼高与误码率直接相关。

1.3.3     眼交叉

眼交叉表示交叉点垂直轴线上的相对位置,它是表示系统中数据脉冲对称性的指标。

要找出眼交叉,首先必须使用图8中屏幕上显示的直方图范围来确定一电平和零电平以及交叉点的幅度。一电平和零电平的幅度电平使用的是直方图的平均值,而平均交叉点幅度电平则需通过创建一个以交叉点水平轴位置为中心且在垂直方向上延伸的狭窄直方图来求出。最后,使用以下公式求出眼交叉。

100 x [(交叉点电平 - 零电平)/(一电平 - 零电平)]

眼交叉刻度显示在图8的右侧,零电平为0%,一电平为100%。

以下举出几个例子,以便更容易理解在幅度轴上存在失真的眼交叉。图9中的左三屏显示眼图,右三屏显示相应的脉冲图形。在观察时间轴上经过图形1和0的对称性时,可发现对眼交叉的影响。

从上到下,这六个屏幕显示三种类型的眼交叉。眼交叉为75%的最上面的屏幕具有比0更长的1脉冲图形时间段。如图所示,当1脉冲图形更长时,交叉点向上移动,且眼交叉变大。相反地,如25%的示例所示,当0脉冲图形时间段长于1个周期时,交叉点向下移动,且眼交叉变小。

眼交叉是测量由一电平和零电平的持续时间差所导致幅度失真的有效指标。此外,它是用于对脉冲对称性问题进行故障诊断的指标。当眼交叉偏离50%的理想值时,眼开口变窄,且误码率变差。

1.3.4    信噪比

信噪比(SNR)是与幅度失真相关的另一术语。它表示背景噪声(和失真)相对于所需要的信号电平的比例。若信噪比值越大,信号质量就越好(图10)。使用以下公式可求出信噪比。

如图10所示,请看在屏幕下方直方图的实际测量值,信噪比约为50(50.007)的高值(眼幅度约为500毫伏(491.68毫伏)),代表噪声和失真度比信号电平小得多的理想情况。

图11显示了一个信噪比极差且信号清晰度因背景噪声而变差的例子。请看屏幕左下方显示的数值数据,眼幅度很明显地仅为7毫伏(6.65毫伏)左右。一电平和零电平在波形的左右两侧都具有高分散性,且有大量噪声掩藏在大部分的波形中。当大量的样本以这种方式偏离平均值时,标准偏差会随着变大,眼高则会变小。对于具有该信噪比的信号,接收机的数据检测器难以评估(鉴别)逻辑电平1和0。

在图11中,波形的信噪比仅约为3.5(图10中为50)。为改善此类系统的眼图需要改善信号电平,并抑制噪声,进而改善信噪比。由于大量噪声的信号具有很差的误码率,因此难以在实际系统中将其用作信号。