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原创 一文读懂眼图测试 #D0150

2017-6-26 14:34 1824 3 3 分类: 测试测量

波形参数测试是数字信号质量评估最常用的测量方法,但是随着数字信号速率的提高,仅仅靠幅度、上升时间等的波形参数的测量方法越来越不适用了。


比如下图的一个5Gbps的信号来说,由于受到传输通道的损耗的影响,不同位置的信号的幅度、上升时间、脉冲宽度等都是不一样的。不同的操作人员在波形的不同位置测量得到的结果也是不一样的。

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因此我们必须采用别的方法对于信号的质量进行评估,对于高速数字信号来说最常用的就是眼图的测量方法。


所谓眼图,实际上就是高速数字信号不同位置的数据比特按照时钟的间隔叠加在一起自然形成的一个统计分布图。


下面几张图显示了眼图的形成过程。我们可以看到,随着叠加的波形数量的增加,数字信号逐渐形成了一个个类似眼睛一样的形状,我们就把这种图形叫做眼图。


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当数字信号叠加形成眼图以后,为了方便地区分信号在不同位置出现的概率大小,更多的时候会用彩色余辉的模式进行信号的观察。彩色余辉就是把信号在屏幕上不同位置出现的概率大小用相应的颜色表示出来,这样可以直观地看出信号的噪声、抖动等的分布情况。下图是个用彩色余辉显示的眼图。

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对于眼图的概念,有以下几点比较重要:


 眼图是波形的叠加:

眼图的测量方法不是对单一波形或特定比特位置的波形参数进行测量,而是把尽可能多的波形或比特叠加在一起,这样可以看到信号的统计分布情况。只有最差的信号都满足我们对于信号的最基本要求,才说明信号质量是可以接受的。


 波形需要以时钟为基准进行叠加:

眼图是对多个波形或bit的叠加,但这个叠加不是任意的,通常要以时钟为基准。对于很多并行总线来说,由于大部分都有专门的时钟传输通道,所以通常会以时钟通道为触发,对数据信号的波形进行叠加形成眼图,一般的示波器都具备这个功能。而对于很多高速的串行总线信号来说,由于时钟信息嵌入在数据流里,所以需要测量设备有相应的时钟恢复功能(可能是硬件的也可能是软件的),能够先从数据流里提取出时钟,然后以这个时钟为基准对数据比特进行叠加才能形成眼图。因此,很多高速串行数字信号的眼图测试通常需要该示波器或测量设备有相应的时钟恢复功能。下图是个对串行数据流进行软件时钟恢复的例子。

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 真正意义的眼图是以时钟为基准进行叠加的:

眼图测量的根本目的是判断该数据信号相对于其时钟信号(可能是专门的时钟通道也可能是内嵌的时钟信息)的建立/保持时间窗口、采样时的信号幅度等参数满足标准要求,所以眼图测量一定是要以其参考时钟为基准进行信号叠加才有意义。有时用数据信号自身的边沿触发进行自然叠加也能形成类似眼图的形状,但这不是真正意义上的眼图。


 低速信号的眼图:

很多速率不太高的总线也可以做眼图测量,但由于数据比特较宽,上升时间相对于数据比特宽度占的比例很小,所以一些低速数字信号的眼图可能比较方正或者比较规整,看起来不太象眼睛,但从物理含义上说这仍然是一种眼图。下图是一个低速的数字信号叠加形成的眼图的例子。

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 眼图测量中需要叠加的波形或比特的数量:

在眼图测量中,叠加的波形或比特的数量不一样,可能得到的眼图结果会有细微的差异。由于随机噪声和随机抖动的存在,叠加的波形或比特数量越多,则眼的张开程度会越小,就越能测到最恶劣的情况,但相应的测试时间也会变长。为了在测量结果的可靠性以及测量时间上做一个折衷,有些标准会规定眼图测量需要叠加的波形或比特数量,比如需要叠加1000个波形或者叠加1M个比特等。


 眼图位置的选择:

当数字信号进行波形或者比特叠加后,形成的不只是一个眼图,而是一个个连续的眼图。如果叠加的波形或者比特数量足够,这些眼图都是很相似的,因此可以对其中任何一个眼图进行测量。下图显示的是叠加形成的多个连续的眼图,可以看到每个眼图都是很相似的。通常情况下,为了测量的方便,一般会调整时基刻度使得屏幕上只显示一个完整的眼图。

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另外要注意的一点是,在眼图测量时被测件只有发出尽可能随机的数据流才能形成真实的眼图,如果数据流里的数据是长0、长1、时钟码型或者其它一些规则的码型,有可能形不成眼图或者形成的眼图不全。下图就是一个不完整的眼图,数据流里面缺少了长0的码型。

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