眼图背后的故事【明眸】与【蜂腰】

眼图(EYE Diagram)介绍

所谓眼图简单的说就是把一连串接收端接收到的脉冲信号(000,001,010,011, 100, 101,110,111)同时叠加在高速示波器上以形成眼图，如下图所示：

图1

若在眼图中加入一个多边形以标识信号真正存在的区域，即所谓的眼图模板测试(Eye Mask)。因为眼图模板测试可在一次量测中，计算出测试信号波形的上升时间、下降时间、噪声与抖动(Jitter)等，形成一套系统化的测量方法，因此眼图已被多个协会(SATA, SAS, PCIE, USB, Ethernet等几乎所有的高速总线协会)采用来规范各种通信互连系统的标准测试项目。

图 2

眼图的特性是累加了一连串的脉冲时序，因此它具有测量信号重复性的作用。图1的眼图可以呈现许多信息;假如整个互连通信系统无任何噪声时，眼图上的轨迹应为同一条直线。当噪声越大时，信号变动程度也越大，在垂直方向之叠合轨迹也越粗，误码率也将增加。如下图所示：

图3

眼图的水平方向为时间轴，代表信号到达的时间，抖动将造成水平方向上轨迹变粗。眼图的左右边沿可以测量出信号的上升时间和下降时间。眼图形状类似于眼睛，当眼睛张的越大时，传输质量越佳。基本上若眼图的形状呈现【瞇瞇眼】形状时，表示信号质量极非常差。如下图所示：

图4

在信号量测中，眼图的形成正如上所述：由多个差分信号运算所累加而成。以SATA为例，其原理大致如下：

首先SATA 的信号pin角，大致上可分为TX+、TX-、RX+与RX-;由于SATA、SAS、PCI Express这类总线都是以差分信号来取代传统的单端信号传输，TX 为发送端，RX为接收端，而+、-则为差分的成对信号。参考图5(A)与图5(B)的信号波形图(以TX 为例)，当信号传递时，即使因外界的噪声干扰，也不用担心信号会有误判的情形发生，因为差分信号的传输机制会将TX+与TX-作相减的运算，如图5(C)所示，如果有噪声，也不会传递到芯片内部，这样就不会影响到正常的信号传递，从而提高噪声容忍度。

图5

而示波器在测量眼图信号时，透过自触发点之后，将TX+ - TX-的信号累加至示波器上,如下图所示，即获得了眼图。

图 6

很多人在称赞美女的时候，经常会用【明眸皓齿】、【蜂腰美人】或【水蛇腰】来形容。其实在评判眼图的质量时，这个标准也蛮适用的。这其实就可以当作检查眼图是否完美的两个重要准则：

■【明眸皓齿】：眼睛要大，如果配合上有眼图模板的话，那么以眼图模板当作瞳孔，则眼白(Margin)就必须要够多。

■【蜂腰美人】：如图7红绿色圆圈中交叉的部分，必须要越小越好，最好是一个点，就像蜂腰美人一样，比较瘦小，因为这里代表的是抖动，如果太大就会造成误码率增加。抖动越小则代表信号质量越好，发生误码的机率越低。

图 7

前面讲到了眼图模板，眼图的测试主要是用来检测高速串行传输的信号质量，不论是SATA、PCI Express还是USB，标准都有提供眼图模板的标准给工程师作为眼图的测量准则。如图8所示，是USB2.0 TX的眼图模板，所谓的眼图模板主要是用在判断眼图是否符合规范的要求，图8中ABCDEF6点所围成的六边形红色区域以及GH以上、IJ以下区域代表所谓的【禁止区域】,如果眼图有任何信号波形位进入这些红色区域，则表示信号传输不满足协议规范的要求(如图9绿色圆圈处)。

图 8

图 9

眼图的判断

以上说了那么多，现在就来看看眼图到底如何来判断。

首先，看是否【明眸】。眼图是否够大?是否有进入内模板?是否有超过上下限。

其次，看是否【蜂腰】。眼图交叉点的部分，是否达到够细?是否达到最小协议规范中抖动的要求?

以上两点需要同时满足，才能说明眼图符合设计要求。

后话

在信号速率发展越来越快的今天，几乎所有高速信号都在朝着高速串行总线发展，在高速串行总线中，眼图就是绕不开的概念，至少在目前，几乎所有的高速串行总线都在利用考察眼图来评估信号完整性传输。希望此文能带给各位工程师一些帮助，以便更好的了解“眼图”，并知道通过仿真和测量“眼图”来判断信号是否符合产品设计要求。

审核编辑：汤梓红