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关于眼图(Eye Diagram)与数字信号测试的问与答

问题:
什么是眼图?它用在什么场合?反映了波形的什么信息?
回答:
眼图(Eye Diagram)能够显现出数字信号的传输质量,常常用于需求对电子设备、芯片中串行数字信号或许高速数字信号进行测验及验证的场合,归根结底是对数字信号质量的一种快速而又十分直观的观测手法。消费电子中,芯片内部、芯片与芯片之间常常用到高速的信号传输,如果对应的信号质量欠安,将导致设备的不稳定、功用履行过错,乃至毛病。眼图反映的是数字信号受物理器材、信道的影响,工程师能够经过眼图,敏捷得到待测产品中信号的实测参数,而且能够预判在现场可能发生的问题。

1、眼图的构成
关于数字信号,其高电平与低电平的改变能够有多种序列组合。以3个bit为例,能够有000-111共8中组合,在时域上将满足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,就构成了眼图。如图1。关于测验仪器而言,首要从待测信号中恢复出信号的时钟信号,然后依照时钟基准来叠加出眼图,终究予以显现。
眼图的构成

图1. 眼图的构成

2、眼图中包含的信息
关于一幅实在的眼图,如图2,首要我们能够看出数字波形的均匀上升时刻(Rise Time)、下降时刻(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/Crossing Percent)等基本的电平改换的参数。

电平改换参数

图2. 电平改换参数

信号不可能每次凹凸电平的电压值都坚持完全一致,也不能确保每次凹凸电平的上升沿、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,呈现含糊(Blur)的现象。所以眼图也反映了信号的噪声和颤动:在纵轴电压轴上,体现为电压的噪声(Voltage Noise);在横轴时刻轴上,体现为时域的颤动(Jitter)。


噪声和颤动
由于噪声和颤动,眼图上的空白区域变小。如图4,在除掉颤动和噪声的基础上,眼图上空白的区域在横轴上的间隔称为眼宽(Eye Width),在眼图上叠加的数据满足多时,眼宽很好的反映了传输线上信号的稳守时刻;同理,眼图上空白的区域在纵轴上的间隔称为眼高(Eye Height),在眼图上叠加的数据满足多时,眼高很好的反映了传输线上信号的噪声容限,一起,眼图中眼高最大的地方,即为最佳判守时刻。


眼高和眼宽
数字信号在采样前后,需求有必定的树立时刻(Setup Time)和坚持时刻(Hold Time),数字信号在这一段时刻内应坚持稳定,才能确保正确采样,如图5.1中蓝色部分。而关于输入电平的判定,需求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,我们能够得知最早的采样时刻和最晚的采样时刻如图5.1和5.2所示。

在最佳采样时刻,采样的误码率是最低的,而跟着采样时刻向时刻轴两边的移动,误码率不断增大,如图6所示。所以工程上也常常画出信号采样周期内误码率的改变曲线,称为澡盆曲线(Bathtub Curve)。

 Bathtub Curve
在实践测验时,为了进步测验功率,常常使用到的办法是Mask Testing。即依据信号传输的需求,在眼图上规则一个区域(如图7中的菱形区域),要求左右的信号悉数呈现在这个区域之外,一旦菱形区域内有呈现信号,则宣告测验未经过。

 Mask Testing
起伏噪声可能会导致逻辑‘1’的电压或功率电平笔直动摇,低于样点,导致逻辑‘1’码过错地标为逻辑‘0’码,即误码。颤动描绘了相同的效应,但它是水平动摇。颤动或守时噪声可能会导致码的边缘在水平方向中的样点内动摇,导致过错。从这种意义上讲,颤动界说为一个数字信号在有用时点上距抱负时刻方位的短期改变。脉冲电压电平的动摇源自不需求的调幅(AM)。相似的,变换的守时动摇能够描绘为脉冲相位动摇、不需求的调相(PM)或相噪。
在体系器材的守时方面,数据通信和电信技术并不相同。在同步体系中,如SONET/SDH,体系器材同步到公共的体系时钟。在信号经过网络传送时,不同器材生成的颤动会经过网络传播,除非对器材中传送的颤动提出严格的要求,不然颤动可能会无约束地进步。在异步体系中,如千兆位以太网、PCI Express和光纤通道,器材守时由散布式时钟供给或从数据变换中重建的时钟中供给。在这种状况下,有必要约束器材生成的颤动,但从一个器材转移到另一个器材上的颤动则不太重要。不管是哪种状况,底线是体系的作业功能怎么,即误码率。

 颤动大的眼图的交点,直方图是一个像素宽的交点块投射到时刻轴上的投影
器材生成的固有颤动称为颤动输出。其首要来历能够分为两个:随机颤动(RJ)和确定性颤动(DJ)。能够把颤动看作从抱负守时方位的、逻辑变换的守时改变,如图2中的直方图所示。这一散布显现了被不同颤动源含糊的抱负守时方位。颤动散布是RJ和DJ概率密度函数的卷积。随机颤动源自各种随机流程,如热噪声和散粒噪声,其假定遵守高斯散布,如图3a所示。由于高斯散布的尾部扩展到无穷大,RJ的峰到峰值没有鸿沟,而RJ的均方根则收敛到高斯散布的宽度上。 
单个时点的颤动、正弦周期颤动和随机颤动相结合,导致误码的实例
Ideal Transition Edge: 抱负的变换边缘
RJ Smeared Edge: RJ含糊的边缘
DJ Smeared Edge: DJ含糊的边缘
确定性颤动(DJ)包含占空比失真(DCD)、码间搅扰(ISI)、正弦或周期颤动(PJ)和串扰。DCD源自时钟周期中的不对称性。ISI源自由于数据相关效应和色散导致的边缘呼应改变。PJ源自周期来历的电磁捡拾,如电源馈通。串扰是由捡拾其它信号导致的。DJ的特征特点是,其峰到峰值具有上下限。DCD和ISI称为有界相关颤动;Pj和串扰称为不相关有界颤动;RJ称为不相关无界颤动。
辨认不同类型的颤动来历,能够削减规划层次的问题,由于不同的器材以不同的方法生成颤动。例如,发射机首要生成RJ。外部调制的激光发射机生成的大多数颤动是由激光器和主参阅时钟的随机颤动导致的。相反,接收机生成的绝大部分颤动是DJ,这源于导致ISI的前置放大器和后置放大器衔接的AC耦合等因素。直接调制激光发射机遭到RJ和DJ的影响。介质选用两种方法:光纤从色散中添加DJ,从散射中添加RJ;传导介质从有限带宽中添加DJ,与低频和多个反射比较,高频的衰减要更高。

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