11 眼图形成原理
眼图系列数字信号示波器累积显示图形包含丰富信息眼图观察出码间串扰噪声影响体现数字信号整体特征估计系统优劣程度眼图分析高速互连系统信号完整性分析核心外图形接收滤波器特性加调整减码间串扰改善系统传输性
示波器跨接接收滤波器输出端然调整示波器扫描周期示波器水扫描周期接收码元周期步时示波器屏幕图形称眼图示波器般测量信号位某段时间波形更反映细节信息眼图反映链路传输数字信号整体特征图示:
图 示波器中信号眼图
果示波器整显示屏幕宽度100ns表示示波器效频宽取样率记忆体配合100ns波形资料系统言分析短时间信号具代表性例信号百万位元会出现次突波(Spike)100ns时间突波出现机率会错某重信息果衡量整系统性短时间测量数显然够设想果重复叠加方式新信号断加入显示屏幕中然记录着前次波形累积时间够久形成眼图解整系统性串扰噪声参数整系统性改善提供
分析实际眼图结合理完整眼图应该包含000111状态组状态组发生次数量致否信息法呈现屏幕八种状态形成眼图示:
图 眼图形成示意图
述理分析结合示波器实际眼图生成原理知道般示波器观测眼图理分析眼图致接(串扰等影响)示:
图 示波器实际观测眼图
果八种状态组中缺失某种状态眼图会完整示:
图 示波器观测完整眼图
通眼图反映出数字系统传输总体性样正确掌握判断方法呢?里必眼图中涉参数进行定义解参数判断方法简单
12 眼图参数定义
相关眼图参数眼高眼宽眼幅度眼交叉1电0电消光Q子均功率等参数图示:
图 眼图参数
眼图中1电()0()电表示逻辑10电压位准值实际中选取眼图中间20UI部分垂直轴投影做直方图直方图中心值分1电0电
眼幅度表示1电信号分布0电信号分布均数差测量通眼图中央位置附区域(通常零点交叉时间间距离20)分布振幅值进行
眼宽反映信号总抖动眼图水轴开定义两缘缘交汇点(Crossing Point)间时间差交叉点间时间基信号中两零交叉点处直方图均数计算分布标准偏差两均数间差值相减
眼高眼图垂直轴开信噪测量眼图振幅非常相似
面详细介绍消光等复杂概念帮忙理解眼图性
(1)消光(Extinction Ratio)
消光定义眼图中1电0电统计均值计算公式三种:
消光光通信发射源量测相重参数决定通信信号品质消光越代表接收机端会越逻辑鉴率消光越表示信号较易受干扰系统误码率会升
消光直接影响光接收机灵敏度提高接收机灵敏度角度希消光利减少功率代价消光越越果消光太会激光器图案相关抖动增加般 FPDFB 直调激光器求消光 82dB EML电吸收激光器消光10dB般建议实际消光低求消光 05~15dB绝数值出数值害怕消光太高传输信号劣化太厉害导致误码产生通道代价超标
(2)眼交叉
眼图交叉测量交叉点振幅信号10位准关系交叉例关系传递信号位准般标准信号交叉50表示信号10占半位冷测量相关率图示统计方式交叉位准交叉点垂直统计中心窗口计算出均值例方程式(中10位准取眼图中间20均值40~60中作换算):
图 眼图信号交叉点例关系
着交叉点例关系表示信号10传递质量耐图示左边图形交叉例关系眼图应右边相关10脉信号时解脉信号时间宽度图交叉例关系
图 眼交叉脉信号关系
般信号言均分布信号位准10常见般求眼图交叉50相信号脉10长度标准作相关参数验证根眼交叉关系分布效测量10信号位准偏差造成相振幅损失分析例眼交叉传递1位准信号会交叉关系验证信号误码屏蔽极限值眼交叉传递0位准信号般容易造成接收端信号易中抽取频率导致法步进产生步损失
(3)信号升时间降时间
般测量升降时间眼图占20~80部分中升时间图分左侧交叉点左侧(20)右侧(80)两块水区间作传递信号升斜率时间换算计算公式:
图 眼图信号升时间
知道时间位准2080信号位准10着相关性然果升时间愈短愈表现出眼图中间白色区块代表传递信号容忍误码率较 眼图降时间图示分右侧交叉点左侧(80)右侧(20)两块水区间作信号传递降斜率时间换算计算公式:
图 眼图信号降时间
升时间般果降时间愈短愈表现出眼图中间白色区块传递信号容忍误码率愈
(4)Q子(Q Factor)
Q子测量眼图信噪参数定义接收机佳判决门限信号功率噪声功率值适种信号格式速率数字信号计算公式:
中1电均值0电均值差眼幅度1信号噪声效值0信号噪声效值信号噪声效值
Q子综合反映眼图质量问题Q子越高眼图质量越信噪越高Q子般受噪声光功率电信号否始端终端阻抗匹配等素影响般说眼图中1电条线越细越滑Q子越高加光衰减情况发送侧光眼图Q子应该12接收测Q子应该6
(5)均功率
通眼图反映均功率整数流均值眼图振幅测量均功率直方图均值果数编码正常工作均功率应总眼图振幅50
(6)抖动
抖动高速数传输线中导致误码定时噪声果系统数速率提高秒测抖动幅度会体变位周期分时间测量时会着数速率成例提高进导致误码系统中减少种相关抖动提升系统总体性
抖动描述信号水波动信号某特定时刻相理想时间位置短期偏离示意图:
图 抖动示意图
示波器观测抖动图示图中抖动眼图交点直方图素宽交点块投射时间轴投影理想情况应该点码元水波动导致形成区域
图 抖动眼图交点
器件生成固抖动称抖动输出源分两:机抖动(RJ)确定性抖动(DJ)中确定性抖动(Deterministic Jitter)分周期性抖动(Periodic Jitter)占空失真(Duty Cycle Distortion)码间干扰(InterSymbol Interference)串扰DCD源时钟周期中称性ISI源数相关效应色散导致边响应变化PJ源周期源电磁捡拾电源馈通串扰捡拾信号导致DJ特点峰峰值具限DCDISI称界相关抖动Pj串扰称相关界抖动RJ称相关界抖动外抖动分布RJDJ概率密度函数卷积
分析抖动具体产生原助系统设计时减少抖动产生影响时确定抖动BER影响保证系统BER低某值通常抖动形成原直观表示图:
图 抖动形成原
13 眼图系统性
接收信号时受码间串扰噪声影响时系统性定量分析较困难般利示波器通观察接收信号眼图系统性进行定性视估计眼图观察出符号间干扰噪声影响具体描述:
图 眼图系统性关系
眼图展示数字信号传输系统性提供信息:中出码间串扰噪声强弱助直观解码间串扰噪声影响评价基带系统性优劣指示接收滤波器调整减码间串扰:
眼图眼睛张开反映着码间串扰强弱眼睛张越眼图越端正表示码间串扰越反表示码间串扰越存噪声时噪声叠加信号观察眼图线迹会变模糊清时存码间串扰 眼睛张开更码间串扰时眼图相原清晰端正细线迹变成较模糊带状线端正噪声越线迹越宽越模糊码间串扰越眼图越端正
理分析条结实际应中参考眼图中系统性作述:
(1)佳抽样时刻应 眼睛 张开时刻
(2)定时误差灵敏度眼图斜边斜率决定斜率越定时误差越灵敏
(3)抽样时刻眼图两分支阴影区垂直高度表示信号畸变
(4)眼图中央横轴位置应应判决门限电
(5)抽样时刻两分支离门限根线迹门限距离表示相应电噪声容限噪声瞬时值超发生错误判决
(6)利信号零点取均定时信息接收系统眼图倾斜分支横轴相交区域表示零点位置变动范围变动范围提取定时信息重影响
14 眼图误码率
数字电路系统中发送端发送出特数种素影响接收端会接收错误特(误码)错误特数总特数称误码率Bit Error Ratio简称BER误码率描述数字电路系统性重参数GHz特率通信电路系统中(Fibre ChannelPCIeSONETSATA)通常求BER等误码率较时通信系统效率低性稳定影响误码率素包括抖动噪声信道损耗信号特率等
误码率(BER)测试中码型发生器会生成数十亿数特数特发送输入设备然输出端接收数特然误码分析仪接收数发送原始数位位进行确定码接收错误会出段时间计算BER考虑误码率测试需面实际测试眼图参考生成BER图参考眼图示:
图 参考眼图
BER图样点时间位置BER(t)函数称BERT扫描图浴缸曲线简言相参考时钟定额定取样时间时间t测BER参考时钟信号发射机时钟接收信号中恢复时钟具体取决测试系统述眼图参考眼睛张开度误码率关系BER图:
图 眼睛张开度误码率关系
图 BER(T)扫描浴缸曲线
述两图中BER图眼图时间轴相两侧眼图边相应样点位中心BER定时曲线间距离该BER眼图张开程度样点接交点时抖动会导致BER提高05
2 眼图生成方法探讨
般言生成眼图需通测量量数然中恢复示波器测量眼图中前期数采集存中获完整数记录然利硬件者软件时钟进行恢复提取步时钟信号时钟信号数记录中数步特通触发恢复时钟数流中捕获1 UI(单位间隔相时钟周期)信号重叠起特数波形重叠眼图示波器眼图形成示意图:
图 示波器眼图形成原理
面形成原理图中出通恢复时钟信号等间隔触发数记录中信号截取单位UI波形叠加起形成眼图
通分析采集数中恢复出时钟信号眼图生成关重眼图CLK关系:
(1)采样示波器CLK通常户提供时钟恢复时钟者数信号身步码步信号
(2)实时示波器通次触发完成数采样需附加步信号触发信号通常通软件PLL方法恢复时钟
里必介绍时钟恢复电路功(参考英文):
Clock and Data Recovery (CDR) circuit functions
First to recover the clock signal (CR) from the received data stream (input signal)
Use the CR to perform timing and amplitudelevel decisions on the incoming signal
Regenerate the data stream (DR) with timing and amplitude characteristics synchronized with the recovered clock (CR) or regenerated system clock
译:
(1)接收数流中恢复出原采样时钟信号
(2)利恢复时钟信号衡量输入信号时间幅度等级等性
(3)输入信号时间幅度等特性基础重新生成数流恢复时钟信号重新生成系统时钟步
目前时钟恢复方法数基锁相环时钟恢复方法锁相环包括鉴相器(phase detector)环路滤波器(loop filter)压控振荡器(voltage controlled oscillator简称VCO)三基部分组成基原理框图示:
图 锁相环原理框图
总体言锁相环时钟恢复重性体现方面:
(1)完全集成需外部参考时钟信号
(2)确保时钟信号数步
(3)时钟信号提供监视功锁相环失锁时提供警报
(4)优化误码率——调整关数信号时钟相位
参考述文章:
PhaseLocked Loop (PLL) necessary for clock recovery
Fully integrated and does not require an external reference clock
Ensure alignment of the clock with the middle of a data word
Monitors the CR and provides a LossofLock (LOL) alarm when the PLL loses lock
for Optimized bit error rate (BER) – adjust clock phase relative to the data signal
测试高速串行数信号眼图抖动仪器基锁相环时钟恢复方法中实时示波器软件PLL恢复参考时钟取样示波器误码率测试仪硬件PLL恢复时钟采软件恢复时钟方法捕获长数波形数恢复时钟逐位较完成眼图抖动误码率测试分析捕获串行数Bit位避免触发抖动硬件恢复时钟抖动导致测量精确CDR抖动触发抖动理0
目前泰克提供眼图生成方案:
(1) 数恢复时钟(CDR)眼图模板测试:分硬件CDR(PLL)软件CDR(PLL+)
(2) 测量眼图眼高眼宽等关眼图参数
(3) 根面测量数绘制相关图形:
抖动:趋势频谱
直方图 浴盆曲线
根述方案概况硬件时钟恢复原理框图示:
图 泰克硬件时钟恢复方案框图
实时示波器中通常连续特位眼图生成方法首先示波器采集长串连续数波形然软件CDR恢复时钟恢复时钟切割特波形第1第2第3直第n1第n特步特重叠眼图中实时眼图生成方法:
软件时钟恢复
眼图参数测量
全系列标准专参数测量包括幅度定时抖动
低抖动低噪声
单触发事件ET方法中触发事件触发次连续采样减少引入抖动噪声
支持时钟恢复模型
锁相环 (PLL)
相位插重复取样 (恒定时钟 连续位)
数相关分析
跳变位非跳变位分开
码型长度检测进行抖动分析 (RjDj分离)
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