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什么是眼图测试?

发布时间:2022年04月19日 浏览数:15 文章出自:北测实验室

一、眼图的概念及测试意义

眼图(Eye Diagram)是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形,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。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。

眼图包含了丰富的信息,可以显示出数字信号的传输质量,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,经常用于需要对电子设备、芯片中串行数字信号或者高速数字信号进行测试及验证的场合,归根结底是对数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段。消费电子中,芯片内部、芯片与芯片之间经常用到高速的信号传输,如果对应的信号质量不佳,将导致设备的不稳定、功能执行错误,甚至故障。

眼图反映的是数字信号受物理器件、信道的影响,工程师可以通过眼图,迅速得到待测产品中信号的实测参数,并且可以预判在现场可能发生的问题。

眼图测试.jpg

二、眼图的形成

对于数字信号,其高电平与低电平的变化可以有多种序列组合。以3个bit为例,可以有000-111共8种组合,在时域上将足够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,就形成了眼图。对于测试仪器而言,首先从待测信号中恢复出信号的时钟信号,然后按照时钟基准来叠加出眼图,最终予以显示。

三、和眼图相关的眼图参数有哪些?

对于一幅真实的眼图,首先我们可以看出数字波形的平均上升时间(Rise Time)、下降时间(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/Crossing Percent)等基本的电平变换的参数、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。

“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”电平信号分布与“0”电平信号分布平均数之差,其测量是通过在眼图中央位置附近区域(通常为零点交叉时间之间距离的20%)分布振幅值进行的。眼幅度表示“1”电平减去“0”电平。

Q因子(Q Factor)用于测量眼图信噪比的参数,它的定义是接收机在最佳判决门限下信号功率和噪声功率的比值,可适用于各种信号格式和速率的数字信号。

通过眼图反映的平均功率,即是整个数据流的平均值。与眼图振幅测量不同,平均功率则是直方图的平均值。如果数据编码正常工作,平均功率应为总眼图振幅的50%。

抖动是在高速数据传输线中导致误码的定时噪声。如果系统的数据速率提高,在几秒内测得的抖动幅度会大体不变,但在位周期的几分之一时间内测量时,它会随着数据速率成比例提高,进而导致误码。因此,在系统中尽可能的减少这种相关抖动,提升系统总体性能。

眼宽反映信号的总抖动,即是眼图在水平轴所开的大小,其定义为两上缘与下缘交汇的点(Crossing Point)间的时间差。交叉点之间的时间是基于信号中的两个零交叉点处的直方图平均数计算而来,每个分布的标准偏差是从两个平均数之间的差值相减而来。

眼高即是眼图在垂直轴所开的大小,它是信噪比测量,与眼图振幅非常相似。上下直方图的3sigm之差表示眼高。

信号不可能每次高低电平的电压值都保持完全一致,也不能保证每次高低电平的上升沿、下降沿都在同一时刻。由于多次信号的叠加,眼图的信号线变粗,出现模糊(Blur)的现象。所以眼图也反映了信号的噪声和抖动:在纵轴电压轴上,体现为电压的噪声(Voltage Noise);在横轴时间轴上,体现为时域的抖动(Jitter)。

由于噪声和抖动,眼图上的空白区域变小。在除去抖动和噪声的基础上,眼图上空白的区域在横轴上的距离称为眼宽(Eye Width),在眼图上叠加的数据足够多时,眼宽很好的反映了传输线上信号的稳定时间;同理,眼图上空白的区域在纵轴上的距离称为眼高(Eye Height),在眼图上叠加的数据足够多时,眼高很好的反映了传输线上信号的噪声容限,同时,眼图中眼高最大的地方,即为最佳判决时刻。

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,低电平的电压值地与输入低电平VIL。所以,我们可以得知最早的采样时刻和最晚的采样时刻。

四、眼图测试常用的标准协议

USB Type-C to USB Type-C (Type-C 1.3, USB 3.2 and earlier specifications). Full-Featured and USB 2.0 Type-C cables are supported

USB Type-C to USB Standard-A (USB 3.2 and earlier version specifications)

USB Type-C to USB Micro-B (USB 3.2 and earlier version specifications)

USB Type C to USB Standard-B (USB 3.2 and earlier version specifications)

USB Standard-A to USB Micro-B (USB 3.2 and earlier version specifications)

USB Standard-A to USB Standard-B (USB 3.2 and earlier version specifications)

HDMI Type A to HDMI Type A (HDMI 2.1 and earlier version specifications)

DisplayPort to DisplayPort (DisplayPort 1.4 and early version specifications)

五、眼图的测试项目

消光比

眼交叉比

信号上升时间与下降时间

Q因子(Q Factor)

平均功率

抖动

六、眼图测试适用产品

USB C–C

USB A–C

USB C- μB

USB A- μB

HDMI–HDMI (HDMI2.1)

DP–DP(DP1.4)

包含上述接口的:音视频、信息技术设备、工业设备、医疗器械、汽车电子、航天航等中告诉信号产品。

七、眼图的判断标准

在实际测试时,为了提高测试效率,经常使用的方法是Mask Testing。即根据信号传输的需求,在眼图上规定一个区域(一般为菱形区域),要求左右的信号全部出现在这个区域之外(睁眼),一旦菱形区域内有出现信号(既闭眼),则宣布测试未通过。

在对于一个眼图进行好和坏的评估时,通常都有一些常见的衡量指标,比如眼高,眼宽,抖动,占空比等,如上图。通过对眼睛不同部位的表征,可以快速地判断和定性信号的问题。比如眼图跳变沿交叉点的上下区域可以代表占空比,如果上下区域比例不对称,则代表占空比的结果可能存在问题。

不同的眼图可以反映不同的信号质量,对于有经验的工程师可以从眼图上发现信号是否存在阻抗不匹配导致的反射,以及某种抖动成分偏大,甚至知道如何来优化眼图质量。总体来说:

眼图的张开度与抖动和BER相关联;

眼图张开越大,表明对噪声和抖动的容许误差越大;

眼图张开越大,表明接收器判断灵敏度越好;

眼顶、眼底和转换区域宽表明接收器判断灵敏度降低

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