eyemap

自定义眼图模板
美国力科公司一、眼图模板的电气特性意义
眼图模板测试是评估高速信号质量的重要方法。

力科示波器串行数据分析功能已经内置了业界主流高速信号的模板，多达50种以上。

但是以下几种情况可能无法直接套用示波器已经内置的标准模板：被测信号是新出标准定义的，或者芯片的电气特性没有严格符合标准，或者实际测试点和标准要求的测试点不一致。

这时需要示波器用户自定义模板。

一个典型模板的形状如下图深色图形：
模板水平方向一般占一个UI的宽度。

上有“天花板”，下有“地板”，中间一般为六边形或菱形。

通常用
X1~X4,Y1~Y4几个坐标刻度定义“天花板”、“地板”以及中间图形的位置和形状。

对信号的眼图套用模板，可以快速评估信号的电气特性是否满足要求。

1) 垂直方向Y1~Y4四个刻度用于限定信号幅度上的特性，对于差分信号，限定的是差分电压的摆幅范围。

Y1:信号允许的最小电压(或光功率，以下同理)。

Y4:信号允许的最大电压。

——对于差分信号，Y1和Y4为允许的最大差分摆幅，Y1为负值，Y4为正值。

Y2:信号低电平允许的最大电压，如果信号幅度超过此电压，信号可能不会被器件当作低电平。

电气特性规格很多以Vol(max)、Vil(max)表示此参数。

Y3:信号高电平允许的最小电压，如果信号幅度小于此电压，信号可能不会被器件当作高电平。

电气特性规格很多以Voh(min)、Vih(min)表示此参数
——对于差分信号，Y2和Y3为允许的最小差分摆幅，Y2为负值，Y3为正值。

也就说，信号的高电平必须在Y3和Y4之间，低电平必须在Y1和Y2之间
2)水平方向X1~X4四个刻度用于限定信号时域上的特性。

实际信号的眼图，两侧跳变沿的余辉可能较粗，这是抖动的直观反映。

抖动越大、跳变沿余辉就越粗、眼宽也越小。

如下图，眼图两侧跳变沿交叉处余辉的宽度反映了信号的总体抖动Tj （准确的总体抖动值需要一定算法来测量和统计，直接在眼图上测量余辉宽度不准确，它只是直观的反映）。

X1和X4两个刻度用来限定两侧抖动的范围。

抖动范围往内不超过X1,X4，说明抖动大小满足相关电气特性要求。

X2,X3两个刻度用来限定信号上升/下降时间，用以验证信号的最大上升/下降时间是否满足要求。

二、根据芯片电气特性规格定义模板
以一款以太网收发芯片TLK2201为例，我们来看如何根据其电气特性规格来定义1.25Gpbs SGMII信号的眼图模板。

芯片datasheet对于收发器的电气规格定义如下：
Vod为发送端差分信号的摆幅。

允许的最小、最大摆幅分别为600mV,1100mV，如下图：
由此可以得到发送端信号眼图模板的垂直刻度
Y1=-(1100mv/2)=-550mV , Y4=-Y1=550mV
Y2=-(600mV/2)=-300mV , Y3=-Y2=300mV
发送端允许的最大总体抖动t(TJ)为0.24UI。

把该抖动裕量分配到眼图两侧各占0.12UI,也就是X1,X4离两侧分别为Tj/2.
因此可以得到X1=0.12UI，X4=(1-0.12)UI=0.88UI
考虑一个极限情况：一个上升沿，其抖动为允许的最大值，即50%电平处的水平位置刚好在X1；其上升时间也是允许的最大值；其摆幅是允许的最小值。

这个最坏情况的信号紧挨着模板的边沿，如下图白色线段所示：
芯片datasheet规定了发送端信号的最大上升/下降时间(20%~80%)为250ps,那么50%～100%的时间为208.33ps，即0.26UI，这就是X2-X1的宽度，因此可以得到X2=0.26UI+X1=0.38UI。

由对称性，X3=0.62UI.
到此，通过芯片的电气规格特性，我们推导出了眼图模板的X1~X4,Y1~Y4等参数。

三、在力科示波器中自定义模板
首先关闭示波器应用软件，然后在示波器中运行Mask Database Editor，接着按下面图示的Step
2-Step6进行操作即可。

保存后，重新打开示波器软件，在串行数据分析里出现自定义的信号类型。

信号完整性测试- 关于眼图的测量
内容提要：本文将从作者习惯的无厘头漫话风格起篇，从四个方面介绍了眼图测量的相关知识：一、串行数据的背景知识; 二、眼图的基本概念; 三、眼图测量方法; 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势。

全分为上、下两篇。

上篇包括一、二部分。

下篇包括三、四部分。

您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。

在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。

您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。

很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。

这种对于Sigtest的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。

在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。

那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。

之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。

刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。

网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。

“在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。

为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。

如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。

二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。

眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。

在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。

当有码间串扰时，波形失真，码元不完全重合，眼图的迹线就会不清晰，引起“眼”部分闭合。

若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。

由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。

另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。

通常眼图可以用下图所示的图形来描述，由此图可以看出：
（1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。

显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。

（2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜率越大，系统对定时抖动越敏感。

图一眼图
（3）眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。

(4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。

（5）在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决。

（6）横轴对应判决门限电平。

”
是该专门写篇文章详细讲解眼图了！写得不正确、不到位的地方，恳请大家指正，以使这篇文章将能不断修改完善，有益于广大工程师们的学习。

一、串行数据的背景知识
串行信号种类繁多，在图二所示的有PCI Express,Rapid IO,DVI,S-ATA,USB,SDH,XAUI，等，其实现在的流行总线还远不止这些。

每年都出来一些新流行的串行总线。

每些总线差不多都有一个权威机构来定义该总线的信号标准和测试规范，这些机构成员多是由来自于不同公司的专家兼职担任。

当然，关于PC的串行总线差不多由Intel来领导。

图三所示某基于Intel Chipset的笔记本电脑的框架图中的各种总线,除了DDR和FSB是并行数据之外,其它都是串行数据了。

这些权威机构除了定义规范，当然也会有一些利益博弈。

所以有新的利益集团(这是一个中性的词)策划推广的时候就可能有新的总线规范出台，这就象3G有三种标准一样。

你方唱罢我登场，搞得下游厂商手忙脚乱。

串行数据总线越来越多，权威机构定义的测试规范也纷繁芜杂，我一直觉得该将这么多的权威机构统一为一个权威机构，就叫“串行总线国际工程师协会”好了，如果力科最先发起并领导这个协会，然后定义一系列的串行信号测试规范中都只推荐力科示波器，那么亲爱的朋友们，这个Day Dream的最终结果是什么？示波器行业也许会重新大洗牌。

人们总相信权威机构推荐的，譬如我们平时用牙膏等都会相信“中华医学会”之类的推荐.
信号速率不断加倍再加倍，2004年我刚到力科的时候，主流的串行信号速率在PC行业是2.5Gb/s，在通信行业是3.125Gb/s，如今，PC行业已Double到5Gb/s，通信行业已Double到6.25Gb/s，而且PC行业的8Gb/s，通信行业的12.5Gb/s似乎已指日可待。

速率越来越高，并行数据必然要让位于串行数据。

串行数据传输的典型结构框图如图三所示，“万变不离其宗”，都是“两根差分线”。

相比于并行数据，串行数据的优点是：1，信号线的数量减少2，消除了并行数据之间传输的延迟问题。

图二串行数据的整体特点
图三某笔记本电脑架构示意图
3，因为时钟是嵌入到数据中的，数据和时钟之间的传输延迟也同样消除了。

4, 传输线的PCB设计也更容易些。

5, 信号完整性测试也更容易。

串行数据的测试点包括了芯片的发送端和接收端等不同节点。

描述串行数据的常用单位是波特率和UI，譬如3.125Gb/s表示为每秒传送的数据比特位是3.125G比特(bit)，对应的一个单位间隔（1UI）表示为一个比特位的宽度是波特率的倒数，1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。

现在比较常见的串行信号码形是NRZ码。

正电平表示”1”，负电平表示“0”。

图三所示是示波器捕获到的一组串行信号，虚线之间的时间间隔代表了一个UI，图中对应的码型是101100101010001。

二、眼图的一些基本概念
“什么是眼图？”“眼图就是象眼睛一样形状的图形。

”
眼图是用余辉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和眼睛很像，故名眼图。

眼图上通常显示的是1.25UI的时间窗口。

眼睛的形状各种各样，眼图的形状也各种各样。

通过眼图的形状特点可以快速地判断信号的质量。

图六的眼图有“双眼皮”，可判断出信号可能有串扰或预（去）加重。

图七的眼图“眼睛里布满血丝”，这表明信号质量太差，可能是测试方法有错误，也可能是PCB布线有明显错误。

图八的眼图非常漂亮，这可能是用采样示波器测量的眼图。

图四串行信号实例
图五眼图定义
图六“双眼皮”眼图
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”电平的容限，
“0”电平的容限，上升时间、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信号的模板如图五和图八蓝色部分所示。

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。

但象以太网信号、E1/T1的信号，不是NRZ码形，其模板比较特别。

当有比特位碰到模板时，我们就认为信号质量不好，需要调试电路。

有的产品要求100%不能碰模板，有的产品是允许碰模板的次数在一定的概率以内。

（有趣的是，眼图85%通过模板的产品，功能测试往往是没有问题的，譬如我在用的电脑网口总是测试不能通过，但我上网一直没有问题。

这让很多公司觉得不用买示波器做信号完整性测试以一样可以做出好产品来，至于山寨版的，更不会去买示波器测眼图了。

）示波器中有测量参数可自动统计出碰到模板的次数。

此外，根据“侵犯”模板的位置就能知道信号的哪方面有问题从而指导调试。

如图九表明信号的问题主要是下降沿太缓，图十表明1电平和0电平有“塌陷”，可能是ISI问题导致的。

图七“眼睛布满血丝”的眼图
图八最漂亮的“眼睛”
图九下降沿碰到模板的眼图
图十“1”电平和“0”电平有“塌陷”的模板
和眼图相关的眼图参数有很多，如眼高、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。

图十二表示幅度相关的测量参数的定义。

“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”电平减去“0”电平。

上下直方图的3sigm之差表示眼高。

图十二、十三、十四，十五表示了其它一些眼图参数的定义，一目了然，在此不再一一描述。

不过，有经验的工程师知道，在眼图形象很糟糕的时候，眼图参数测试的结果显得很不准确。

这时候，建议您可以用力科的自定义眼高测量方法来测量，如图十六所示。

图十一眼图参数定义
图十二眼图参数定义
图十三眼图参数定义
图十四眼图参数定义
图十五眼图参数定义
图十六自定义眼高测量方法
高速信号常见问题分析
-一个25MHZ时钟信号的单调性问题测试分析
【摘要】
本文结合实际测试中遇到的时钟信号回沟问题介绍了高速信号的概念，进一步阐述了高速信号与高频信号的区别，分析了25MHZ时钟信号沿上的回沟等细节的测试准确度问题，并给出了高速信号测试时合理选择示波器的一些建议。

下图1为一个25MHZ时钟信号的测试结果截图：
图1 使用一个1G带宽、10GS/S的示波器测试一个25M的时钟信号的频率、上升时间等测试结果
测得上升时间为485ps，时钟频率为25MHZ左右。

从这个测试结果图上我们并不能看出什么问题来，时钟频率的偏差也很小。

对于时钟信号，我们通常是使用其上升沿或者下降沿的中间电平位置来采样数据，因此时钟信号上升沿或者下降沿的单调性就显得非常重要。

下图2为该时钟上升沿的细节，从该图上我们可以清楚的看到示波器对该信号的采样点位置及采样点个数。

从图2上我们可以看到波形上升沿比较平滑，单调性很好。

那么如果我们用一个更高带宽、更高采样率的示波器来测这个时钟会有什么样的变化呢？下图3为用一个6G带宽的示波器，20GS/s采样率去测量该时钟信号，我们发现在该时钟信号的上升沿的中点位置处明显有一个回沟，说明事实上该时钟信号的上升沿是非完全单调的！
图3使用一个6G带宽、20GS/S的示波器测试一个25M的时钟上升沿的测试结果
那么到底是由于示波器带宽的原因还是由于示波器采样率的原因导致该时钟信号在1G带宽的示波器上和6G带宽的示波器上测试结果的差异呢？下图4为用一个6G带宽的示波器，10GS/s采样率去测量该时钟信号的测试结果图：
从图4中我们可以看到，波形的回沟已经变得很不明显，和1G带宽，10GS/s采样率的示波器测得的结果很类似，另外我们还将6GHZ带宽的示波器带宽限制到了1GHZ ,当使用10Gs/s的采样率的时候，上升沿上看不到回沟；当使用20Gs/s的采样率的时候，能够看到回沟，通过分析比较我们应该可以认为该时钟信号的非单调边沿未能准确测试主要原因应该是示波器采样率不足，示波器带宽也可能有一定的影响，但是影响应该很小。

谈到这里我们可能会有几个较难理解的问题：（1）1G带宽的示波器测量一个频率为25MHZ的时钟是否足够？因为通常来讲示波器的带宽是被测信号带宽的5倍左右就能非常精确的测试这个信号。

（2）对于特定带宽的示波器，比如说1GHZ，最大采样率为10GS/s是否足够，采样率是不是越大越好，我们通常会认为对于一定的带宽的示波器，采样率做的特别高没有太大的意义，因为示波器的带宽是一定的。

带着这些问题我们先来简单了解一下高速信号和高频信号的概念。

二、高速电路和高速信号的基本概念
通常会从两个角度来定义高速电路和高速信号：
1、频率角度
通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ-50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路或者信号占整个电路的系统达到一定的份量，如1/3以上，那么会称该电路为高速电路，相关的信号为高速信号。

2、信号上升时间角度
通常认为当信号的传输延时小于其上升时间（或者下降时间）的1/6的时候，该电路会呈现出分布系统的特性，也将该电路称高速电路，相关的信号叫做高速信号。

基于上述两个角度对高速信号概念的描述，我们可总结为：即使一个信号频率很低，如只有25MHZ，也可能因为它的上升时间很陡而将其归入高速信号的范畴，应以处理高速信号的方法去处理它们。

在高速设计中上升时间是衡量高速信号的一个很重要的特性。

三、信号上升时间与信号功率谱的关系
Howard Johnson的《High-Speed Digital Design》这篇经典之作的第一章对该问题进行了阐述和分析，给出了转折频率的概念以及其与信号上升时间的关系。

图5一个随机数字波形及其功率谱
上图5中信号的上升时间Tr为时钟周期的1/100。

从功率谱图中我们看到，当频率高于转折频率（Fknee）后，信号能量以远高于20dB/decade的速度下降，该频点后的能量在信号总能量中占有比例很小。

Howard给出了这个转折频率与信号上升时间的关系：Fknee=0.5/Tr（注：有的文献中也会按照0.35/Tr或者0.4/Tr来计算），从该式中我们可以看出该转折频率只与信号的上升时间有关。

因此说，信号的上升时间对信号的能量分布范围起到很关键的作用，上升时间越小（信号沿越陡），信号主要能量集中的范围越宽，如果要更加准确的测量信号，则需要示波器的带宽也越宽；反之，上升时间越大（信号沿越缓），信号主要能量集中的范围越窄，带宽较窄的示波器也能比较准确的测量信号。

四、上述25MHZ时钟测试问题的解释
从上面的测试结果截图中我们可以看到，测量得到的时钟信号的上升时间约为600ps左右，除去示波器和探头的影响，信号本身的实际上升时间大约为500ps左右。

那么代入公式Fknee=0.5/Tr可以得到该信号的功率谱的转折频率约为1GHZ；也就是说，用1GHZ带宽的示波器去测试该信号应该可以得到很好的精度，然而实际情况是用1GHZ的示波器测试该时钟信号时上升沿处的回沟并没有完全被体现出来；因此根据上述分析可以初步认为示波器带宽对该回沟的影响不应该是主要因素。

采样率过低也可能导致回沟问题的一个主要原因。

我们仔细分析在20Gs/s采样率下测得的信号，发现回沟时间恰好为100ps左右；而当采样率为10Gs/s 时，两个采样点之间的时间间隔也正好为100ps左右，因此示波器在采样时很有可能不能正确地采集到回沟处的点，从而使得信号沿的回沟不能正确的得到显示。

为了很准确的测量信号的沿，需要有相对应的采样率，下图描述了信号上升沿与采样点间隔的关系，当采样率固定的情况下，信号上升沿越陡，两个采样点之间的盲区就越大，该盲区的细节就会得不到正确的显示。

图6信号上升沿与示波器采样点间隔的关系
五、合理选择测量示波器的建议
1、首先，需要仔细分析需要测量的信号，不仅仅是频率，还应该关注信号的上升时间；因为一个基本的信号是由数个频率不同的正弦信号构成，信号沿越陡，信号中包含的高频正弦信号分离就越多，如果我们需要准确的测量信号则首先必须准确的测量这些高频正弦分量，这些正弦高频分量通常比信号本身的频率要高，具体有多高，则可以根据上升时间去估测。

2、要明确需要关注的信号的细节的程度，即信号在多大的时间间隔内出现不稳定因素如单调性、过冲等可能会给系统带来问题，然后再结合信号的上升时间来选取测试示波器的采样率。