PCIE眼图测试中示波器CDR带宽的影响分析
PCIE眼图测试中示波器CDR带宽的影响分析【摘要】
在某产品的PCIE信号测试中，发现其收发眼图抖动较大，眼图质量很差，通过分析定位，发现是由于示波器的CDR环路带宽设置错误导致的。本文理论分析了CDR环路带宽对信号眼图及抖动的影响，并给出高速SerDes信号测试时，设置CDR环路带宽的参考意见。
【关键词】PCIE，CDR，SDA6000A，SerDes，眼图
1、问题的提出
在用力科公司的SDA6000A示波器对某产品进行硬件信号测试时，发现PCIE信号的眼图质量非常差，特别是抖动过大，出现多次碰撞眼图模板的现象。如图1所示。
图1 PCIE测试波形
2、问题的定位
咨询相关专家，抖动较大，有可能是示波器的CDR(Clock and Data Recovery)的带宽设置有误。检查示波器SDA6000A的设置，发现在串行信号类型选择为在Signal Type为PCIe1.0 2.5GT/s时，设置的PLL Settings选择的PLL Type为“FC Golden”，示波器自动换算出PLL的截止频率为1.5MHz。
在示波器设置中对应PCIE信号有三种PLL，对应的截止频率分别为16MHz （A，3dBpk）、8MHz（B，3dBpk）、5MHz（C，1dBpk），这三种PLL取决不同的PCIE信号接收端。一般常用的是A类16MHz带宽，在此PLL下，PCIE信号眼图如图2所示。
图2 正确设置PLL后的PCIE测试波形
从眼图可以看出，新设置的PLL后的测试波形，眼图质量有明显提高，抖动也小了很多，为什么CDR的带宽对眼图信号质量影响这么大？
3、问题的理论分析
从串行信号处理原理分析入手，如图3所示，典型的串行数据链路系统图。
图3 典型串行数据链路系统框图
在Fibre Channel、Gigabit Ethernet、SDH等串行链路中都采用了上图的架构。发送端TX发送的信号通过信道（传输铜线或光纤）传输到接收端RX后，收发器芯片RX部分的时钟恢复电路（CDR）从串行数据中恢复出时钟，用恢复的时钟来同步串行数据，进行采样。
由于多种原因，进入RX的串行数据信号可能有较大的抖动，理想情况下（锁相环PLL的环路带宽无穷大时），时钟恢复电路的PLL输出的时钟和RX的输入数据信号同相，即零抖动，这时，RX的判别电路（图3中的D触发器）有最大的建立时间和保持时间余量。但是由于PLL的环路响应为低通滤波器特性，只能消除串行数据中低频段的抖动，不能处理高频段的抖动，所以，现实情况中收发器芯片RX端“看到”的眼图是有抖动的。
RX端PLL的参数是影响眼图和抖动性能的决定因素。图4为PLL的系统框图，包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器(VCO)三个基本部分。
图4 PLL系统框图
在接收端的PLL中，鉴相器、环路滤波器和VCO三部分组成环路的频响为低通滤波器特性。如图5所示，接收端的时钟恢复电路的频响是一个低通滤波器，其传递函数为HL，当串行数据信号的抖动变化频率较低时，即从直流（0Hz）到PLL的截止频率（fcutoff，-3dB），PLL能及时追踪到数据跳变沿（即锁住相位），输出的时钟与输入数据同相（严格地讲，相位差为固定常数），这样抖动为零。当连续边沿的抖动变化太快时（即存在高频抖动时），PLL不能及时追踪到边沿的变化，于是输出的时钟和数据边沿存在抖动，所以，接收到的CDR 不能滤除高于截止的抖动，它的抖动传递函数的频响为高通滤波特性。
图5 抖动的传递函数
上述分析，可以简述为一句话：PLL环路响应带宽越高，经过CDR恢复出来的眼图抖动就越小。
4、总结
由上述分析得知，在进行高速串行信号测试时，根据信号类型与接收端器件特性设置CDR与PLL，一些标准的接口会有固定的参数可以设置，非标准的SerDes接口则需要厂家获取收发器件的模型，带宽设置等参数。综上所述，正确设置示波器的CDR参数是测量眼图和抖动的关键，测试人员需要参考串行数据规范或仪器厂商的操作文档，才能保证测量的准确性和有效性。
眼图观察测量实验
实验12 眼图观察测量实验 一、实验目的 1.学会观察眼图及其分析方法，调整传输滤波器特性。 二、实验仪器 1. 眼图观察电路（底板右下侧） 2． 时钟与基带数据发生模块，位号：G 3． 噪声模块，位号E 4． 100M双踪示波器1台 三、实验原理 在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善（通过调整）传输系统性能。 我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。 眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。 什么是眼图 所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元时钟作为同步信号，基带信号一个或少数码元周期反复扫描在示波器屏幕上显示的波形称为眼图。干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。因为对于二进制信号波形，它很像人的眼睛故称眼图。 在图12-1中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真(码间串扰)。 图12-1中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图中央的垂直线表示取样时刻。当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：+1或-1。当波形有失真时，“眼睛”部分闭合，取样时刻信号取值就分布在小于+1或大于-1附近。这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。 为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图12-2的形状。 由此图可以看出：(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；(2)眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感； (3)在取样
PLL带宽对抖动的影响
PLL带宽对高速串行数据眼图测试结果的影响 摘要:在今天的崭新的数字世界中，高速串行数据传输应用日益普遍。眼图(Eye Diagram)分析是高速串行数据分析的重要手段之一。本文就设置不同的串行数据时钟恢复带宽对眼图测试结果的影响做一些简单的分析。 关键词:CDR(时钟恢复),PLL(锁相环), Eye Diagram(眼图)，Jitter(抖动)，TIE Jitter(时间间隔误差抖动)，PCI-Express，SATA. 0.引言 在今天的高速数据传输系统中，串行数据传输正日益普遍,比如PCI-Express, XAUI,SATA等。串行数据传输有两个主要特点：一，广泛采用差分信号进行数据传输。二，没有专门的时钟传输线路，时钟嵌入在数据里。因此，在系统接收端内部需要时钟恢复电路。接收端时钟恢复方法最常用的是锁相环Phase Locked Loop(PLL)和Phase Interpolator(PI)两种方法。 图1 典型计算机系统总线架构示意图 相对而言，PLL方法应用更为广泛。下图为一种典型的基于锁相环PLL(Phase Locked Loop,简称PLL)的时钟恢复电路框图:
图2 串行数据时钟恢复电路框图 1.CDR 与PLL 简介 锁相环PLL 的作用简单的来说是产生一个内部信号,去锁住输入信号的相位.谈两个信号的相位的前提条件是两个信号的频率一样,这样才有意义。因此锁相环也是锁频回路.假定一固定频率信号: 输入PLL ，PLL 输出信号: 由上述结论得到: 但相位是否相等呢？答案是否定的.正确结果是两个是两个信号的相位差是一个定值,其值和起始频率差有关.所以有了第二个重要概念：“锁相不是指相位相同,而是相位差是定值”. 锁相环PLL 的组成如下图所示: VCO LPF x(t)y(t)PD 图3 PLL 功能块示意图 VCO:：压控振荡器 LPF ：环路滤波器 PD ：鉴相器 鉴相器将输入信号与VCO 输出信号进行对比。环路滤波器对差异进行过滤，然后用来调整VCO 。由于LPF 是低通滤波器，因此只能将相位差的低频部分传输到VCO 。高频部分将被滤除。因此，PLL 仅跟踪低频变化，不跟踪高频变化。也就是说，由串行数据的CDR 电路恢复得到的Recover Clock 只包含低频抖动，这个低频抖动在数据中同时存在，因此这些低频抖动成分对于接收端Serdes 电路在以Recover Clock 作为参考边沿判决数据0或1时不会产生影响(前提条件是低频抖动分量不得超过系统的抖动容限)。而数据中还包含传输系统中的高频抖动分量，这部分由于CDR 电路中的低通环路滤波器的原因恢复出的Clock 是不包含的。因此接收端Serdes 电路在以Recover Clock 作为参考边沿判决数据0或1时可能会由于这些高频的抖动分量导致采样点偏移而出现误码。因此只有在PLL 截止频率或带宽以下的低频抖动是接收端可以跟随的抖动,相对而言经过PLL 传递出的抖动都为高频抖动，是不能被系统跟随的，会导致接收端采样点的偏移产生误码。如下图所示,蓝色线为PLL 的幅频特性曲线，其下面包含的区域即为系统可以跟随的抖动。对应的橙色曲线表示传递出去的抖动的幅频趋势: ) 2cos()(x x t f t x θπ+=) 2cos()(y y t f t y θπ+=x y f f =
示波器基础系列之一-关于示波器的带宽(1)
关于示波器的带宽 汪进进美国力科公司深圳代表处带宽被称为示波器的第一指标，也是示波器最值钱的指标。示波器市场的划分常以带宽作为首要依据，工程师在选择示波器的时候，首先要确定的也是带宽。在销售过程中，关于带宽的故事也特别多。 通常谈到的带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽，也就是常说的-3dB截止频率点。此外，还有数字带宽，触发带宽的概念。 我们常说数字示波器有五大功能，即捕获（Capture），观察（View），测量(Measurement)，分析（Analyse）和归档（Document）。这五大功能组成的原理框图如图1所示。 图1，数字示波器的原理框图 捕获部分主要是由三颗芯片和一个电路组成，即放大器芯片，A/D芯片，存储器芯片和触发器电路，原理框图如下图2所示。被测信号首先经过探头和放大器及归一化后转换成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析处理。 图2，示波器捕获电路原理框图 示波器放大器的典型电路如图3所示。这个电路在模拟电路教科书中处处可见。这种放大器可以等效为RC低通滤波器如图4所示。由此等效电路推导出输出电压和输入电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所示。
图3，放大器的典型电路 图4，放大器的等效电路模型
图5，放大器的理想波特图 至此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点。根据放大器的等效模型，我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所示。需要说明的是，0.35是基于高斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。在示波器的datasheet上都会标明“上升时间”指标。示波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下面的关系式。在对快沿信号测试中，需要通过该关系式来修正实际被测信号的上升时间。 Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2
眼图分析
清风醉明月 slp_art 随笔- 42 文章- 1 评论- 20 博客园首页新随笔联系管理订阅 眼图——概念与测量（摘记） 中文名称： 眼图 英文名称： eye diagram;eye pattern 定义： 示波器屏幕上所显示的数字通信符号,由许多波形部分重叠形成，其形状类似“眼”的图形。“眼”大表示系统传输特性好；“眼”小表示系统中存在符号间干扰。 一．概述 “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。 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。 （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。” 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。 图五眼图定义” 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。 图六“双眼皮”眼图
眼图测量的概念
眼图测量的概念 眼图测量是一种用于分析和评估数字通信系统的技术。在数字通信中，信息以数字信号的形式传输，而数字信号由一系列离散的样本组成。眼图测量通过显示和分析这些样本的时域波形，从而提供关于系统性能的重要信息。 在眼图中，每个数字信号样本被绘制为一个脉冲，这些脉冲被垂直堆叠在一起形成一个图像，类似于一个开放的眼睛。每个脉冲代表着一个时刻的信号状态，而整个眼图则显示了多个时刻的信号状态的叠加。通过观察眼图的形状、宽度和高度等特征，可以获得关于系统的多种信息。 眼图主要提供以下几个方面的信息： 1. 时基抖动：眼图的开口宽度可以反映系统的时基抖动性能。时基抖动是由于时钟不准确或传输路径中的噪声引起的，它会导致样本位置的不确定性。如果眼图的开口很窄，意味着系统中存在较大的时基抖动，这可能会导致信号误码率的增加。 2. 眼图的对称性：眼图的对称性可以反映系统的码间干扰情况。如果眼图两边的形状不对称，即开口宽度不一致，可能表明系统中存在码间干扰或码间失配。码间干扰会导致信号间的互相干扰，增加误码率。 3. 眼图的噪声水平：眼图的噪声水平可以反映系统的噪声性能。噪声会导致信
号波形的不规则性和抖动，从而影响系统的可靠性和性能。通过观察眼图的噪声水平，可以评估系统的抗噪声性能。 4. 采样时刻偏移：眼图可以显示信号采样时刻的偏移情况。采样时刻偏移会导致信号样本的错位，从而影响信号的恢复和解调。通过观察眼图的采样时刻偏移情况，可以判断系统是否存在采样时刻同步问题。 除了以上几个方面的信息，眼图还可以用于估计信号的传输带宽、检测系统中的串扰和非线性等问题。通过对眼图的仔细分析，可以发现可能存在的问题，并采取相应的调整和优化措施，以提高系统的性能和稳定性。 眼图测量可以使用专用的示波器、时钟回路、采样仪等设备进行。这些设备可以通过触发和同步功能来捕获和显示眼图。通过调整样本时钟、增加采样速率、降低噪声等措施，可以改善眼图的质量和可读性，并获得更准确的眼图测量结果。 总之，眼图测量是一种重要的技术工具，用于评估数字通信系统的性能。通过观察眼图的形状、宽度、高度和对称性等特征，可以获取关于系统时基抖动、码间干扰、噪声水平和采样偏移等方面的信息。这些信息可用于分析系统的稳定性、可靠性和性能，并帮助优化系统设计和调整参数，以提高通信系统的质量和性能。
眼图形成及其基本知识归纳
1眼图基本概念 1.1 眼图的形成原理 眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形，它包含了丰富的信息，从眼图上可以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，因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。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，改善系统的传输性能。 用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。示波器一般测量的信号是一些位或某一段时间的波形，更多的反映的是细节信息，而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特征，如下图所示： 图示波器中的信号与眼图 如果示波器的整个显示屏幕宽度为100ns，则表示在示波器的有效频宽、取样率及记忆体配合下，得到了100ns下的波形资料。但是，对于一个系统而言，分析这么短的时间
内的信号并不具有代表性，例如信号在每一百万位元会出现一次突波（Spike），但在这100ns时间内，突波出现的机率很小，因此会错过某些重要的信息。如果要衡量整个系统的性能，这么短的时间内测量得到的数据显然是不够的。设想，如果可以以重复叠加的方式，将新的信号不断的加入显示屏幕中，但却仍然记录着前次的波形，只要累积时间够久，就可以形成眼图，从而可以了解到整个系统的性能，如串扰、噪声以及其他的一些参数，为整个系统性能的改善提供依据。 分析实际眼图，再结合理论，一个完整的眼图应该包含从“000”到“111”的所有状态组，且每一个状态组发生的次数要尽量一致，否则有些信息将无法呈现在屏幕上，八种状态形成的眼图如下所示： 图眼图形成示意图 由上述的理论分析，结合示波器实际眼图的生成原理，可以知道一般在示波器上观测到的眼图与理论分析得到的眼图大致接近（无串扰等影响），如下所示：
示波器基础系列之二-示波器的采样率和存储深度(2)
存储、存储深度 把经过A/D数字化后的八位二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS存储器中，就是示波器的存储，这个过程是“写过程”。存储器的容量（存储深度）是很重要的。对于DSO，其最大存储深度是一定的，但是在实际测试中所使用的存储长度却是可变的。 在存储深度一定的情况下，存储速度越快，存储时间就越短，他们之间是一个反比关系。存储速度等效于采样率，存储时间等效于采样时间，采样时间由示波器的显示窗口所代表的时间决定，所以： 存储深度＝采样率×采样时间（距离= 速度×时间） 力科示波器的时基（Time Base）标签即直观的显示了这三者之间的关系，如图9所示 由于 DSO的水平刻度分为10格，每格的所代表的时间长度即为时基（time base）,单位是t/div,所以采样时间＝time base ×10. DSO的水平刻度分为10格，每格的所代表的时间长度即为时基（time base）,单位是t/div,所以采样时间＝time base ×10. 由以上关系式我们知道，提高示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率：当要测量较长时间的波形时，由于存储深度是固定的，所以只能降低采样率来达到，但这样势必造成波形质量的下降；如果增大存储深度，则可以以更高的采样率来测量，以获取不失真的波形。 图10的曲线充分揭示了采样率、存储深度、采样时间三者的关系及存储深度对示波器实际采样率的影响。比如，当时基选择10us/div档位时，整个示波器窗口的采样时间是10us/div * 10格=100us，在1Mpts的存储深度下，当前的实际采样率为：1M÷100us=10Gs/s，如果存储深度只有250K，那当前的实际采样率就只要2.5GS/s了！
抖动产生及测试
抖动产生及测试 一、信号完整性测试手段 抖动测试、波形测试、眼图测试，是三种常用的信号完整性测试。 1.抖动测试： 抖动测试现在越来越受到重视，因为专用的抖动测试仪器，比如TIA(时间间隔分 析仪)、SIA3000，价格非常昂贵，使用得比较少。使用得最多是示波器加上软件处 理，如TEK 的TDSJIT3 软件。通过软件处理，分离出各个分量，比如RJ 和DJ， 以及DJ 中的各个分量。对于这种测试，选择的示波器，长存储和高速采样是必要 条件，比如2M 以上的存储器，20GSa/s 的采样速率。不过目前抖动测试，各个 公司的解决方案得到结果还有相当差异，还没有哪个是权威或者行业标准。 2.波形测试 首先是要求主机和探头一起组成的带宽要足够。基本上测试系统的带宽是测试信号 带宽的3 倍以上就可以了。实际使用中，有一些工程师随便找一些探头就去测试，甚至是A 公司的探头插到B 公司的示波器去，这种测试很难得到准确的结果。 波形测试是信号完整性测试中最常用的手段，一般是使用示波器进行，主要测试波 形幅度、边沿和毛刺等，通过测试波形的参数，可以看出幅度、边沿时间等是否满 足器件接口电平的要求，有没有存在信号毛刺等。由于示波器是极为通用的仪器，几乎所有的硬件工程师都会使用，但并不表示大家都使用得好。波形测试也要遵循 一些要求，才能够得到准确的信号。 其次要注重细节。比如测试点通常选择放在接收器件的管脚，如果条件限制放不到 上面去的，比如BGA封装的器件，可以放到最靠近管脚的PCB 走线上或者过孔 上面。距离接收器件管脚过远，因为信号反射，可能会导致测试结果和实际信号差
异比较大;探头的地线尽量选择短地线等。 最后，需要注意一下匹配。这个主要是针对使用同轴电缆去测试的情况，同轴直接 接到示波器上去，负载通常是50 欧姆，并且是直流耦合，而对于某些电路，需要 直流偏置，直接将测试系统接入时会影响电路工作状态，从而测试不到正常的波形。 3.眼图测试 眼图测试是常用的测试手段，特别是对于有规范要求的接口，比如E1/T1、USB、 10/100BASE-T，还有光接口等。这些标准接口信号的眼图测试，主要是用带 MASK(模板)的示波器，包括通用示波器，采样示波器或者信号分析仪，这些示波 器内置的时钟提取功能，可以显示眼图，对于没有MASK 的示波器，可以使用外 接时钟进行触发。使用眼图测试功能，需要注意测试波形的数量，特别是对于判断 接口眼图是否符合规范时，数量过少，波形的抖动比较小，也许有一下违规的情况， 比如波形进入MASK 的某部部分，就可能采集不到，出现误判为通过，数量太多， 会导致整个测试时间过长，效率不高，通常情况下，测试波形数量不少于2000，在3000 左右为适宜。 目前有一些仪器，利用分析软件，可以对眼图中的违规详细情况进行查看，比如在 MASK 中落入了一些采样点，在以前是不知道哪些情况下落入的，因为所有的采 样点是累加进去的，总的效果看起来就象是长余晖显示。而新的仪器，利用了其长 存储的优势，将波形采集进来后进行处理显示，因此波形的每一个细节都可以保留，因此它可以查看波形的违规情况，比如波形是000010 还是101010，这个功能 可以帮助硬件工程师查找问题的根源所在。 二、抖动定义 抖动是指在边沿上发生的噪声和相位变化，它们会导致信号时序错误。举个简单的例子，
眼图分析方法
信号完整性分析基础系列之一 “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。
均衡器
高速串行设计－均衡器 ——高速串行 处 串行数字电路可以分为发送端（TX）、信道（CHANNEL）、接收端（RX）三部分，如下图一所示。眼图医生可以对串行数字链路中三个部分进行分析： 1. 发送端的预加重/去加重分析：针对某一信道计算出最佳的预加重/去加重 参数。 2. 信道仿真：直接测试TX输出的波形，输入信道的S参数模型后，准确 计算出RX端的波形。 3. 接收端的均衡器设计：对于高于5Gbps的信号，通常在RX端测试时， 眼图已闭合，眼图医生可以仿真均衡器，计算出均衡后的信号波形与眼图。 图一：高速串行链路示意图 什么是信道？ 在通信理论中通常用“信道”来描述连接TX与RX的物理媒质，在某些SI（信号完整性）文献中，又称为互连。信道包括了我们常见的：印刷电路板（PCB）上的微带线、带状线、过孔、连接器、集成电路的封装、光纤、电缆等等。如下图二所示为背板的示意图。通常，信道有一个共同的特点：随着频率的升高，损耗越来越大；信道的物理传输距离越长，损耗越大。 图二：背板的互连示意图 接下来为某背板的测试案例。其TX为某2.5Gbps的高速芯片，信道由两块线卡与背板组成，其PCB上传输线的有10英寸长、20英寸长、30英寸长、40英寸
长四组，在接收端测量眼图（如图三所示），使用游标测量眼高（眼图的张开程度），分别为592mV、457mV、295mV、164mV。可见，随着PCB上传输线的长度的增加，信道的损耗越来越大，RX端测量到的眼图的眼高越来越小。 图三：不同背板走线长度的接收端眼图测试结果对比 什么是信道仿真？ 信道仿真是用力科示波器测量TX发送的波形，然后在眼图医生中导入信道的S 参数模型文件，计算出通过信道后RX端的信号波形、眼图与抖动。力科信道仿真的处理速度非常快、精度足够高。 下图中TX为某3.125Gbps信号，通过同轴电缆连接到示波器的两个通道，即示波器直接在TX端测量，然后使用某20GHz带宽的矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，简称VNA）测量两块走线长度不一样的DEMO板的S参数，在力科的眼图医生中调用S参数来仿真该信道。计算出RX端的波形与眼图，眼图如下图四所示，左边是某厂商的20英寸长DEMO板接收端的眼图，右边为另一厂商的24英寸线长DEMO板计算出的RX的眼图。两者的眼高分别为168mV 与108mV。 使用信道仿真，无须连接TX、信道、RX后在RX端实测，只要拥有信道的S 参数模型，示波器直接在TX端测量，就可以仿真出通过不同信道后RX端的波
眼图原理及眼图参数分析
1.眼图概述 1.1.串行数据的传输 串行信号种类繁多，如PCI Express、SPI、USB 等，其传输信号类型时刻在增加。为何串行总线目前应用越来越广泛呢？相比并行数据传输，串行数据传输的整体特点如下： 1)信号线的数量减少，成本降低 2)消除了并行数据之间传输的延迟问题 3)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 实际中，描述串行数据的常用单位是波特率和UI，串行数据传输示例如下： 图串行数据传输示例 例如：比特率为3.125Gb/s 的信号表示为每秒传送的数据比特位是3.125G 比特，对应的一个单位间隔即为 1UI。1UI表示一个比特位的宽度，它是波特率的倒数，即1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。现在比较常见的串行信号码形是NRZ 码，因此在一般的情况下对于串行数据信号，我们的工作均是针对NRZ 码进行的。 2.眼图的形成原理 眼图，是由于示波器的余辉作用，将扫描所得的每一个码元波形重叠在一起，从而形成眼图。眼图中包含了丰富的信息，从眼图上可以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，从而可以估计系统优劣程度，因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。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，改善系统的传输性能。 目前，一般均可以用示波器观测到信号的眼图，其具体的操作方法为：将示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。示波器一般测量的信号是一些位或某一段时间的波形，更多的反映的是细节信息，而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特征，两者对比如下图所示： 图示波器中的信号与眼图
眼图的定义与测量方法
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
串行数据测试中的CDR
串行数据测试中的CDR 在当今的GHz 速率的串行数据测试中，眼图和抖动测试是最重要的两个测 试项目。眼图和抖动测量中，测试仪器必须从待测试信号中恢复参考时钟，用 该时钟同步和采样数据。因此，恢复时钟的方法会直接影响眼图和抖动测试结果，各种串行数据标准都规定了抖动测量中时钟恢复电路CDR 的参数，正确 的设置测试仪器的CDR 参数才可以使测量结果与芯片接收端的实际性能保持 一致。下图1 所示为某串行数据链接的系统图，在Fibre Channel、Gigabit Ethernet、SDH 等串行链路中都采用了这样的架构。发送端（TX）发送的信号 通过信道传输到接收端（RX）后，收发器芯片RX 部分的时钟恢复电路从串行 数据中恢复出时钟，用恢复的时钟来同步串行数据，进行采样。由于多种原因，进入RX 的串行数据信号可能有较大的抖动，理想情况下（锁相环PLL 的环路 带宽无穷大时），时钟恢复电路的PLL 输出的时钟和RX 的输入数据信号同相，即零抖动，这时，RX 的判别电路（如图1 中的D 触发器）有最大的建立时间 和保持时间余量。但是，由于PLL 的环路响应为低通滤波器特性，只能消除串 行数据中低频段的抖动，不能处理高频抖动，所以，现实情况中收发器芯片 RX 端“看到”的眼图是有抖动的。 在图1 中，RX 端PLL 的参数是影响眼图和抖动性能的决定因素。PLL 是一 种广泛使用的电子电路，可以用于获得特定频率的时钟、射频信号调制与解调 和串行数据的时钟恢复。 如图2 为PLL 的系统图，包括鉴相器（phase detector）、环路滤波器（loop filter）、压控振荡器（voltage controlled oscillator，简称VCO）三个基本部分。PLL 的工作原理请参考模拟电路书籍。
眼图测量基础知识
—“眼图就是象眼睛一样形状的图形。” 眼图是用余晖方式积累叠加显示收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的时刻窗口。眼睛的形状各类各样，眼图的形状也各类各样。通过眼图的形状特点能够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，可能是测试方式有错误，也可能是PCB布线有明显错误。图八的眼图超级漂亮，这可能是用采样示波器测量的眼图。 图五眼图概念 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）”。另外，眼图测量的结果是合格仍是不合格，其判断依据一般是相对于“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，上升时刻、下降时刻的容限。所以眼图测量有时侯又被称为“模板测试（Mask Test）”。模板的形状也各类各样，通常的NRZ信号的模板如图五和图八蓝色部份所示。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。若是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。 当有比特位碰着模板时，咱们就以为信号质量不好，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必然的概率之内。（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老是测试不能通过，但我上网一直没有问题。这让很多公司感觉不用买示波器做信号完整性测试以一样能够做出好产品来，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着模板的次数。另外，按照“侵犯”模板的位置就可以明白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如果下降沿太缓，图十表明1电平和0电平有“塌陷”，可能是ISI问题致使的。 图七“眼睛布满血丝”的眼图
示波器的作用及使用常见问题解析
示波器的作用及使用常见问题解析 示波器对于很多平常人来说可能听都没听说过，但是对于电气工程师来说示波器的作用无可取代，它一直是工程师设计、调试产品的好帮手。但随着计算机、半导体和通信技术的发展，示波器的种类、型 号越来越多，从而使示波器的作用得到详细的划分。示波器虽然分成好几类，各类又有许多种型号，但是 一般的示波器除频带宽度、输入灵敏度等不完全相同外，但示波器的使用方法在基本方面都是相同的。下 面从测试应用方面来介绍一下示波器的作用和它的基础使用方法。 示波器的作用是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少 的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标 准信号源组成。 一、示波器的作用 1.广泛的电子测量仪器; 2.测量电信号的波形(电压与时间关系); 3.测量幅度、周期、频率和相位等参数; 4.配合传感器，测量一切可以转化为电压的参量(如电流、电阻、温度磁强等) 二、示波器的作用-测量电压 利用示波器所做的任何测量，都是归结为对电压的测量。示波器可以测量各种波形的电压幅度，既可以测量直流电压和正弦电压，又可以测量脉冲或非正弦电压的幅度。更有用的是它可以测量一个脉冲电压 波形各部分的电压幅值，如上冲量或顶部下降量等。这是其他任何电压测量仪器都不能比拟的。 三、示波器的作用-测量时间 示波器时基能产生与时间呈线性关系的扫描线，因而可以用荧光屏的水平刻度来测量波形的时间参数，如周期性信号的重复周期、脉冲信号的宽度、时间间隔、上升时间(前沿)和下降时间(后沿)、两个信号的 时间差等等。 将示波器的扫速开关“t/div”的“微调”装置转至校准位置时，显示的波形在水平方向刻度所代表的时间可按“t/div”开关的指示值直读计算，从而较准确地求出被测信号的时间参数。 四、示波器的作用-测量相位 利用示波器测量两个正弦电压之间的相位差具有实用意义，用计数器可以测量频率和时间，但不能直接测量正弦电压之间的相位关系。利用示波器测量相位的方法很多，下面，仅介绍几种常用的简单方法。 1.双踪法 2.李沙育图形法测相位 五、示波器的作用-测量频率 用示波器测量信号频率的方法很多，下面介绍常用的两种基本方法。 1.周期法 对于任何周期信号，可用前述的时间间隔的测量方法，先测定其每个周期的时间T，再用下式求出频率f ：f=1/T 例如示波器上显示的被测波形，一周期为8div，“t/div”开关置“1μs”位置，其“微调”置“校准”位置。则其周期和频率计算如下： T=1us/div×8div = 8us f= 1/8us =125kHz 所以，被测波形的频率为125kHz。
SERDES信号与眼图
SERDES信号与眼图 近年来，芯片功能的增强和数据吞吐量要求推动了芯片产业从低速率数据并行连接转变到高速串行连接。这个概念被称为 SERDES(Serializer-Deserializer)，包括在高速差分对上串行地传送数据，而不是用低速的并行总线。一个典型例子是用单个PCI-Express通道取代数据速率达2.112Gbps的传统32位66MHz PCI总线，PCI-Express可达到4Gbps的数据速率，但仅使用了工作在2.5GHz的4条线。简而言之，SERDES协议允许用较少的引脚实现较高的数据速率。 图1给出了各种可能的SERDES接口。这个例子展示了一个网络处理器位于系统中心的高性能电路板。SERDES应用用紫色标明，可以用FPGA实现的芯片用黄色标明。 图1：典型的SERDES应用。 SERDES的类型 有两种基本类型的SERDES接口：源同步(SS)协议和时钟数据恢复(CDR)协议。这两种类型的主要差别是如何实现时钟控制。源同步接口拥有一个伴随传送数据的时钟信号；CDR没有单独的时钟信号，而是把时钟嵌入在数据中。即CDR接收器将相位锁定在数据信号本身以获取时钟。表1概括了这两种接口的基本差别。
表1：源同步和时钟数据恢复SERDES接口的比较。 通常CDR协议运行在较高的数据速率和较长的传送距离，因此带来很大的设计挑战。 时钟数据恢复的基础 顾名思义，CDR接收器必须从数据中恢复嵌入的时钟。更准确地说，是从数据信号的交换中获取时钟。 CDR发送器首先串行发送数据，然后将数据转换成8b/10b编码方案。编码处理获得8位数据并将其转换成10位符号。8b/10b编码方式可以在数据线上传送相等数目的0和1，从而减少码间干扰，并提供足够多的数据边沿，以便接收器在收到的数据流上锁定相位。发送器将系统时钟倍频至传送比特率，并以该速率在TX差分对上发送8b/10b数据。 CDR接收器的任务首先是在RX差分位流上锁定相位，然后接收器按照恢复的时钟进行数据位对齐，接着用接收器的参考时钟进行字对齐。最后，将数据进行8b/10b解码，供系统使用。 在CDR系统中，发送和接收系统通常拥有完全独立的系统时钟。这两个时钟在一个特定的变化范围内非常关键，这个范围大约是数百个PPM。 CDR电路与抖动 CDR接口的主要设计挑战是抖动，即实际数据传送位置相对于所期望位置的偏移。总抖动(TJ)由确定性抖动和随机抖动组成。大多数抖动是确定的，其分量包括码间干扰、串扰、占空失真和周期抖动(例如来自开关电源的干扰)。而通常随机抖动是半导体发热问题的副产品，且很难预测。 传送参考时钟、传送PLL、串化器和高速输出缓冲器都对会传送抖动造成影响。对于给定的比特周期或者数据眼，传送抖动通常用单位间隔的百分比或UI(单位间隔)来说明。例如，.2 UI的传送抖动表示抖动由比特周期的20%组成。对于传送抖动而言，UI数值越低越好，因为它们代表较少的抖动。
示波器带宽和采样率(泰克,安捷伦)
每台示波器都有一个频率范围，比如10M、60M、100M……，我手头用的示波器标称为60MHz，是不是可以理解为它最大可以测到 60MHz？可我用它测4.1943MHz的方波时都测不到，这是什么原因？ 答：60MHz带宽示波器，并不意味着可以很好地测量60MHz的信号。根据示波器带宽的定义，若输入峰峰值为1V的60MHz正弦波到60MHz带宽示波器上，您在示波器上将看到0.707V的信号(30%幅值测量误差)。如果测试方波，选择示波器的参考标准应是信号上升时间，示波器带宽＝0.35/ 信号上升时间×3，此时您的上升时间测量误差为5.4%左右。 示波器的探头带宽也很重要，若使用的示波器探头包括其前端附件构成的系统带宽很低，将会使示波器带宽大大下降。如若使用 20MHz带宽的探头，则能实现的最大带宽是20MHz，如果在探头前端使用连接导线，将会进一步降低探头性能，但对4MHz左右方波不应有太大影响，因为速度不是很快。 另外还要看一下示波器使用手册，有的60MHz示波器在1:1设置下，其实际带宽将锐减到6MHz以下，对于4MHz左右的方波，其三次谐波是12MHz，五次谐波是20MHz，若带宽降到6MHz，对信号幅值衰减很大，即使能看到信号也绝对不是方波，而是幅值被衰减了的正弦波。
当然，测不出信号的原因可能有多种，如探头接触不好(该现象很容易排除)，建议用BNC电缆连接一函数发生器，检验该示波器本身有没有问题，探头有没有问题，如有问题，可和厂家直接联系。 问题2：有些瞬时信号稍纵即失，如何捕捉并使其重现？ 答：将示波器设置成单次采集方式(触发模式设置成Normal，触发条件设置成边沿触发，并将触发电平调到适当值，然后将扫描方式设置成单次方式)，注意示波器的存储深度将决定您能采集信号的时间以及能用到的最大采样速率。 问题3：在PLL中周期抖动可以衡量一个设计的好坏，但是要精确测量却非常困难，有什么方法和技巧吗？ 答：在使用示波器时，要注意其本身的抖动相关指标是否满足您的测试需求，如示波器本身的触发抖动指标等。同时要注意使用不同的探头和探头连接附件时，若不能保证示波器的系统带宽，测量结果也会不准确。另外关于PLL设置时间的测量，可使用示波器+USB-GPIB 适配器+软件选件来完成，也可用较为便宜的调制域分析仪。 问题4：为什么我的示波器有时候抓不到经过放大后的电流信呢?
PCIE的LeCroy测试方案简介
PCI－ELeCroy测试方案简介 目录Table of Contents 1 测试方案简介 (2) 2 测试设备及附件使用介绍 (2) 示波器选用及设置 (2) 测试夹具使用 (3) 测试设备连接 (4) 测试码型 (4) 仪器校准 (5) 通道相位飘移校准 (5) 差分探头校准 (6) 3 PCI-E测试原理及相关技术 (6) PCI-E测试原理 (6) SSC技术 (6) 预加重技术 (7) 4 测试方法及步骤 (7) 简单测量模式 (8) 一致性测试模式 (12) C HECKLIST测试模式 (13) 测试方案综述 (15) 5 参考文献： ..................................................... 错误!未定义书签。
PCI－ELeCroy测试方案简介 1 测试方案简介 目前对于PCI-E，为判别其是否符合PCI-SIG制定标准要求，Agilent、LeCroy、Tektronix等示波器厂商，均开发出相关测试仪器与软件进展PCI-E一致性鉴定，由于PCI-E认证对于PCI-E产品来说并非强制性测试，为到达产品之间使用兼容性，PCI-E总线一致性测试结果就作为业内人士参考重要依据。本文主要介绍LeCroyPCI －E测试解决方案，即介绍如何利用LeCroy示波器来执行针对PCI-Express总线测试。 LeCroy公司为解决PCI-E一致性测试而开发出测试软件SDA-PCIE-G2，该软件基于PCI-SIG组织发布最新标准〔PCI-E 2.0〕，主要应用在串行信号分析仪SDA6000A，SDA6020，SDA11000上，可以进展PCI-E 2.0测试，并兼容前两个版本测试，其设计主要目在于：1.入X-Relay软件包中，以便对关键参数进展量测。 2 测试设备及附件使用介绍 2.1 示波器选用及设置 由于PCI-E速率为2.5bps，PCI-SIG建议量测示波器带宽至少6GHz,采样速率20GSps以上，PCI-E 2.0速率到达5Gbps，示波器带宽要求10G以上。在采用SSC技术时候，由于SSC调制时钟频率都