很多方法都可以表征高速數(shù)字通道，目標(biāo)是驗證說明通道合規(guī)性的特定信號完整性指標(biāo)。S參數(shù)和阻抗等指標(biāo)都很有用，但還有一項重要測量需要使用數(shù)字比特流進(jìn)行評估：眼圖。

作為通道合規(guī)性的一部分，眼圖是一種有用的測量或仿真。該測量結(jié)果可顯示許多能夠同時影響信號行為的不同因素，最終確定通道中的錯誤和損耗。在本文中，將介紹一些可以從眼圖中手動提取的基本測量結(jié)果，以及它們?nèi)绾谓沂疽恍└倪M(jìn)通道設(shè)計的策略。

信號完整性分析中的眼圖

什么是眼圖？

眼圖是用于鑒定數(shù)字系統(tǒng)中通道設(shè)計的基本測量方法之一。這涉及在時域采樣軌跡中疊加比特流的上升沿和下降沿，例如使用示波器。信號完整性仿真器可以執(zhí)行相同類型的信號電平疊加。通過疊加上升沿和下降沿，輕松可視化信號行為的方差水平。

可能導(dǎo)致誤碼率的方差是通過該測量結(jié)果確定的主要量。通過重疊信號軌跡，在時域測量結(jié)果的各個點進(jìn)行統(tǒng)計。下圖顯示了示例眼圖和從軌跡的低信號電平中獲取的測量結(jié)果的直方圖。根據(jù)該直方圖，可以通過計算樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均信號電平，將數(shù)據(jù)擬合為正態(tài)分布。生成的正態(tài)分布疊加在下面的數(shù)據(jù)上。

眼圖信號完整性分析，此處顯示的眼圖（左）用于捕獲0等級（右）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。此圖片改編自Jason Ellison關(guān)于COM的文章中的眼圖。

可以從眼圖中了解什么

此圖可幫助量化來自單次測量的大量信息?？梢灾苯訌难蹐D測量結(jié)果中提取以下信息：

定時抖動：查看開關(guān)期間的信號交叉點時，可以從眼圖中直接看到上升/下降起始的變化。這將考慮差分對中的隨機(jī)噪聲和時序偏差。

信號電平差異：可以輕松查看信號電平是如何變化的。一般來說，這是定時抖動加上其他隨機(jī)噪聲的某種函數(shù)。信號電平也可能因阻抗不匹配而異。

平均上升/下降時間：這等于平均90%信號電平時間和平均10%信號電平時間之間的時間。它與系統(tǒng)中的通道響應(yīng)和噪聲有關(guān)。如果存在強烈的反射、噪聲或ISI，則上升/下降時間可能不平穩(wěn)，并且可能表現(xiàn)出停滯或強烈的變化。

平均符號持續(xù)時間：這是連續(xù)信號交叉中點之間的時間。

比特誤碼率（BER）：通過將邏輯閾值與眼圖中接收到的比特進(jìn)行比較，即可確定比特誤碼率。這個值取決于多個因素，但理想值可以小至10-12或更低。均衡和預(yù)加重等技術(shù)是降低BER值的兩種方法。例如，動態(tài)反饋均衡（DFE）用于使用PAM-4的400G。

符號間干擾

由于信號完整性問題，連續(xù)信號相互干擾的情況就是符號間干擾。通過檢查連續(xù)比特產(chǎn)生的符號間干擾，即可識別數(shù)字通道中的具體問題。在通道中找到的ISI是一項總結(jié)性指標(biāo)，Jason Ellison在本文中提供了良好的概述以及與插入損耗偏差的比較。

這就提出了一個相反的問題：什么元素可以構(gòu)成客觀上理想的眼圖？理想情況下，將獲得零信號失真、零抖動、零脈沖擴(kuò)展和零幅度噪聲。換句話說，輸出信號與輸入信號完全匹配。正是因為能夠看到這一點，眼圖才成為信號完整性的基本組成部分！

如何閱讀眼圖

為高速通道生成的眼圖說明了不同電平之間信號轉(zhuǎn)換的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及每個邏輯電平的電壓統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這使您可以測量由于符號間干擾、串?dāng)_以及任何添加到通道的現(xiàn)象學(xué)噪聲（驅(qū)動器I/O電源軌上的電平抖動）而導(dǎo)致的接收器上存在的噪聲。不過，用于讀取眼圖的典型指標(biāo)是其面具或眼圖開度。

眼圖開度表示眼圖內(nèi)部的區(qū)域。要了解眼圖開度，我們可以查看以下224 Gbps PAM-4通道的示例。下面的仿真顯示了芯片與其連接器模塊之間約700密耳長通道的偽隨機(jī)比特流的眼圖；使用Simberian計算。當(dāng)唯一存在的抖動來自完美端接負(fù)載下的反射，最高可達(dá)所需的56 GHz通道帶寬時，我們可以看到，信號之間的間隔約為220 mV，眼圖開度非常清晰。

短通道的224 Gbps PAM-4眼圖。

我們可以清楚地看到，沿時間軸的眼圖開度范圍約為單位間隔（UI）的44%到57%。這表示僅由于傳入脈沖干擾反射脈沖而在接收器處觀測到的抖動量。僅由于脈沖的疊加，該通道中的抖動范圍約為1.16 ps。

將隨機(jī)抖動添加到通道后，隨著時間軸和電壓軸上的交叉點開始變化，我們會看到眼狀圖案變得有些模糊。以下結(jié)果顯示了僅5%隨機(jī)抖動（UI中的st段偏差）存在于被驅(qū)動到通道中的信號上升沿時的現(xiàn)象。這種抖動水平可能看起來很小，但考慮到約9 ps UI值和25% UI上升時間，這足以顯著改變水平交叉點。結(jié)果是水平之間存在垂直距離，交叉點之間的水平距離減小。

眼圖224 Gbps PAM-4抖動

其寓意是：抖動可被視為時域中的噪聲源，它增加了電壓域中的噪聲水平，并且噪聲水平的這種變化可在眼圖中觀測到。在另一篇文章中，我將研究隨機(jī)抖動眼圖開度之間的相互作用，以便我們可以看到通道中可以容忍的隨機(jī)抖動的可接受限制。

測量并模擬眼圖和BER

正如我之前提到的，眼圖可通過已知S參數(shù)/傳遞函數(shù)以及已定義緩沖的通道模型進(jìn)行仿真，也可以直接從存在所有寄生效應(yīng)的PCB布局進(jìn)行仿真。如果已知通道模型，則可通過卷積運算，從偽隨機(jī)位序列仿真眼圖（參見下方框圖）。此過程可在Matlab或其他數(shù)學(xué)腳本程序中實現(xiàn)。

眼圖仿真過程

使用原型時，最終目標(biāo)是確定合規(guī)性，并從測量結(jié)果中提取通道模型。通道模型對進(jìn)一步的設(shè)計任務(wù)非常有用，例如添加連接器或過孔過渡。確定通道合規(guī)性還需要分析BER，這可能相當(dāng)復(fù)雜，本文不展開介紹了。