眼圖(EYE Diagram)介紹

所謂眼圖簡單的說就是把一連串接收端接收到的脈沖信號(000,001,010,011, 100, 101,110,111)同時疊加在高速示波器上以形成眼圖，如下圖所示：

圖1

若在眼圖中加入一個多邊形以標識信號真正存在的區域，即所謂的眼圖模板測試(Eye Mask)。因為眼圖模板測試可在一次量測中，計算出測試信號波形的上升時間、下降時間、噪聲與抖動(Jitter)等，形成一套系統化的測量方法，因此眼圖已被多個協會(SATA, SAS, PCIE, USB, Ethernet等幾乎所有的高速總線協會)采用來規范各種通信互連系統的標準測試項目。

圖 2

眼圖的特性是累加了一連串的脈沖時序，因此它具有測量信號重復性的作用。圖1的眼圖可以呈現許多信息;假如整個互連通信系統無任何噪聲時，眼圖上的軌跡應為同一條直線。當噪聲越大時，信號變動程度也越大，在垂直方向之疊合軌跡也越粗，誤碼率也將增加。如下圖所示：

圖3

眼圖的水平方向為時間軸，代表信號到達的時間，抖動將造成水平方向上軌跡變粗。眼圖的左右邊沿可以測量出信號的上升時間和下降時間。眼圖形狀類似于眼睛，當眼睛張的越大時，傳輸質量越佳。基本上若眼圖的形狀呈現【瞇瞇眼】形狀時，表示信號質量極非常差。如下圖所示：

圖4

在信號量測中，眼圖的形成正如上所述：由多個差分信號運算所累加而成。以SATA為例，其原理大致如下：

首先SATA 的信號pin角，大致上可分為TX+、TX-、RX+與RX-;由于SATA、SAS、PCI Express這類總線都是以差分信號來取代傳統的單端信號傳輸，TX 為發送端，RX為接收端，而+、-則為差分的成對信號。參考圖5(A)與圖5(B)的信號波形圖(以TX 為例)，當信號傳遞時，即使因外界的噪聲干擾，也不用擔心信號會有誤判的情形發生，因為差分信號的傳輸機制會將TX+與TX-作相減的運算，如圖5(C)所示，如果有噪聲，也不會傳遞到芯片內部，這樣就不會影響到正常的信號傳遞，從而提高噪聲容忍度。

圖5

而示波器在測量眼圖信號時，透過自觸發點之后，將TX+ - TX-的信號累加至示波器上,如下圖所示，即獲得了眼圖。

圖 6

很多人在稱贊美女的時候，經常會用【明眸皓齒】、【蜂腰美人】或【水蛇腰】來形容。其實在評判眼圖的質量時，這個標準也蠻適用的。這其實就可以當作檢查眼圖是否完美的兩個重要準則：

■【明眸皓齒】：眼睛要大，如果配合上有眼圖模板的話，那么以眼圖模板當作瞳孔，則眼白(Margin)就必須要夠多。

■【蜂腰美人】：如圖7紅綠色圓圈中交叉的部分，必須要越小越好，最好是一個點，就像蜂腰美人一樣，比較瘦小，因為這里代表的是抖動，如果太大就會造成誤碼率增加。抖動越小則代表信號質量越好，發生誤碼的機率越低。

圖 7

前面講到了眼圖模板，眼圖的測試主要是用來檢測高速串行傳輸的信號質量，不論是SATA、PCI Express還是USB，標準都有提供眼圖模板的標準給工程師作為眼圖的測量準則。如圖8所示，是USB2.0 TX的眼圖模板，所謂的眼圖模板主要是用在判斷眼圖是否符合規范的要求，圖8中ABCDEF6點所圍成的六邊形紅色區域以及GH以上、IJ以下區域代表所謂的【禁止區域】,如果眼圖有任何信號波形位進入這些紅色區域，則表示信號傳輸不滿足協議規范的要求(如圖9綠色圓圈處)。

圖 8

圖 9

眼圖的判斷

以上說了那么多，現在就來看看眼圖到底如何來判斷。

首先，看是否【明眸】。眼圖是否夠大?是否有進入內模板?是否有超過上下限。

其次，看是否【蜂腰】。眼圖交叉點的部分，是否達到夠細?是否達到最小協議規范中抖動的要求?

以上兩點需要同時滿足，才能說明眼圖符合設計要求。

后話

在信號速率發展越來越快的今天，幾乎所有高速信號都在朝著高速串行總線發展，在高速串行總線中，眼圖就是繞不開的概念，至少在目前，幾乎所有的高速串行總線都在利用考察眼圖來評估信號完整性傳輸。希望此文能帶給各位工程師一些幫助，以便更好的了解“眼圖”，并知道通過仿真和測量“眼圖”來判斷信號是否符合產品設計要求。

審核編輯：湯梓紅