眼圖及信號完整性

1、眼圖及信號完整性眼圖及信號完整性第1頁講座內(nèi)容普通通信系統(tǒng)基礎(chǔ)模型眼圖定義眼圖和通信質(zhì)量關(guān)系眼圖不良原因分析眼圖不良改進(jìn)信號完整性設(shè)計(jì)結(jié)語眼圖及信號完整性第2頁普通通信系統(tǒng)基礎(chǔ)模型通信系統(tǒng)基礎(chǔ)框圖眼圖及信號完整性第3頁普通通信系統(tǒng)基礎(chǔ)模型簡單解釋：PAM信號：（Pulse Amplitude Modulation）脈沖調(diào)幅信號。就是利用抽樣脈沖把一個連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間樣值過程稱為抽樣，抽樣后信號稱為脈沖調(diào)幅（PAM）信號。在滿足抽樣定理?xiàng)l件下，抽樣信號保留了原信號全部信息，而且從抽樣信號中能夠無失真恢復(fù)出原始信號。眼圖及信號完整性第4頁普通通信系統(tǒng)基礎(chǔ)模型PCM編碼：（Pulse Code

2、Modulation）脈沖編碼調(diào)制。 日常生活中信號是模擬，咱們把這些信號經(jīng)過濾波等處理，得到帶限信號，以基帶信號Singnal為例子。Singnal經(jīng)過采樣保持電路，咱們就得到PAM信號，這么信號就是離散信號了。 離散信號經(jīng)過量化歸屬到各個檔次幅度中，比如咱們有2V，4V，6V，8V四個檔次歸類，而且要求1V3V之間PAM離散信號就歸類到2V檔次中去，依次類推，經(jīng)過比較給每個PAM信號進(jìn)行歸類，這就是量化。 量化后信號進(jìn)行編碼，編碼是一個人為要求過程，比如咱們要求2V用00表示，4V用01表示，6V用10表示，而8V用11表示。這么就把階梯信號和二進(jìn)制信號有了一個對應(yīng)關(guān)系，順著這種對應(yīng)關(guān)系，

3、咱們能夠得到剛才量化了信號二進(jìn)制代碼，這就是PCM 編碼，能夠在存放器中存放數(shù)字信號。 以上從模擬到數(shù)字信號轉(zhuǎn)變就是咱們常說A/D轉(zhuǎn)換。至于咱們平時要求轉(zhuǎn)換比特率求法能夠從它轉(zhuǎn)換過程得出計(jì)算方法。一個PAM信號對應(yīng)一個檔次，而一個檔次對應(yīng)幾個比特數(shù) 眼圖及信號完整性第5頁普通通信系統(tǒng)基礎(chǔ)模型 字是在編碼中表達(dá)，例子中就是一個檔次對應(yīng)兩個比特，假如這種對應(yīng)關(guān)系為1對N個比特，對模擬信號采樣率是F，也就是1秒鐘有F個PAM信號，這F個PAM信號就要被轉(zhuǎn)換成F*N個比特，所以比特率就是F*N了。 對于完成轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，咱們怎樣處理呢？ 有是被放進(jìn)存放器中存放了，有是到CPU中進(jìn)行計(jì)算，加密等處理了。

4、 通常為了到達(dá)通信目標(biāo)，咱們就要將數(shù)字信號傳遞而且轉(zhuǎn)換成模擬信號，因?yàn)樯钪心M信號才是咱們能夠直接使用。 所以咱們從存放器中讀取數(shù)字信號，這些數(shù)字信號是基帶信號，不輕易傳輸。經(jīng)過數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)就能夠轉(zhuǎn)換成高頻信號而被發(fā)送設(shè)備以各種形式比如微波，光信號傳輸出去。眼圖及信號完整性第6頁普通通信系統(tǒng)基礎(chǔ)模型 接收設(shè)備將這些信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過解調(diào)器，就能夠還原基帶信號，一樣能夠?qū)⑺鼈兎胚M(jìn)存放器存放。這能夠了解成網(wǎng)絡(luò)視頻在咱們電腦上緩存，緩存中信號經(jīng)過解碼就可將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成各種量化臺階信號。 最終將臺階信號進(jìn)行填補(bǔ)恢復(fù)，咱們就有能夠得到原來輸入模擬波形了，由此咱們就完成了一次通信。 假如模擬信號不

5、需要數(shù)字化，那么咱們能夠進(jìn)行模擬調(diào)制，一樣能夠發(fā)送出去，這個過程要簡單些。眼圖及信號完整性第7頁眼圖定義漢字名稱： 眼圖 英文名稱： eye diagram;eye pattern 定義： 示波器屏幕上所顯示數(shù)字通信符號,由許多波形個別重合形成，其形狀類似“眼”圖形。“眼”大表示系統(tǒng)傳輸特征好；“眼”小表示系統(tǒng)中存在符號間干擾。 所屬學(xué)科： 通信科技（一級學(xué)科） ； 通信原理與基礎(chǔ)技術(shù)（二級學(xué)科） 眼圖及信號完整性第8頁眼圖定義眼圖及信號完整性第9頁眼圖和通信質(zhì)量關(guān)系概念 眼圖是指利用試驗(yàn)方法預(yù)計(jì)和改進(jìn)（經(jīng)過調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到一個圖形。觀察眼圖方法是：用一個示波器跨接在接收濾

6、波器輸出端，然后調(diào)整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元周期同時，這時示波器屏幕上看到圖形像人眼睛，故稱 為 “眼圖”。從“眼圖”上可 以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲影響，從而預(yù)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度。另外也能夠用此圖形對接收濾波器特征加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改進(jìn)系統(tǒng)傳輸性能。 眼圖及信號完整性第10頁眼圖和通信質(zhì)量關(guān)系眼圖成因：因?yàn)槭静ㄆ饔噍x作用，掃描所得每一個碼元波形將重合在一起，從而形成眼圖。碼間串?dāng)_ ： 眼圖 “眼睛” 張開大小反應(yīng)著碼間串?dāng)_強(qiáng)弱。 “眼睛”張 越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越??；反之表示碼間串?dāng)_越大。 當(dāng)存在噪聲時，噪聲將疊加在信號上，觀察到眼圖線跡會變得含糊不清。若同

7、時存在碼間串?dāng)_ ， “眼睛”將 張開得更小。與無碼間串?dāng)_時眼圖相比，原來清楚端正細(xì)線跡，變成了比較含糊帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越含糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正。 眼圖及信號完整性第11頁眼圖和通信質(zhì)量關(guān)系 眼圖對于展示數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)性能提供了很多有用信息：能夠從中看出碼間串?dāng)_大小和噪聲強(qiáng)弱，有利于直觀地了解碼間串?dāng)_和噪聲影響，評價一個基帶系統(tǒng)性能優(yōu)劣；能夠指示接收濾波器調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_。 （ 1 ）最正確抽樣時刻應(yīng) 在 “眼睛” 張開最大時刻。 （ 2 ）對定時誤差靈敏度可由眼圖斜邊斜率決定。斜率越 大，對定時誤差就越靈敏。 （ 3 ）在抽樣時刻上，眼圖上下兩分支陰影

8、區(qū)垂直高度，表示最大信號畸變。 （ 4 ）眼圖中央橫軸位置應(yīng)對應(yīng)判決門限電平。 （ 5 ）在抽樣時刻上，上下兩分支離門限最近一根線跡至門限距離表示各對應(yīng)電平噪聲容限，噪聲瞬時值超出它就可能發(fā)生錯誤判決。 眼圖及信號完整性第12頁眼圖和通信質(zhì)量關(guān)系（6 ）對于利用信號過零點(diǎn)取平均來得到定時信息接收系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交區(qū)域大小，表示零點(diǎn)位置變動范圍，這個變動范圍大小對提取定時信息有主要影響。 所以，通信系統(tǒng)信號質(zhì)量能夠經(jīng)過眼圖很直觀分析判斷，為系統(tǒng)不良點(diǎn)分析，定位及改進(jìn)提供依據(jù)。觀察和判斷一個產(chǎn)品眼圖是否合格能力是設(shè)計(jì)工程師必備能力。眼圖及信號完整性第13頁眼圖不良原因分析合格眼圖：眼圖及

9、信號完整性第14頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第15頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第16頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第17頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第18頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第19頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第20頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第21頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第22頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第23頁眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性第24頁眼圖不良原因分析 以上眼圖不合格反應(yīng)到通信系統(tǒng)就是信號完整性不良，信號完整性是由產(chǎn)

10、生，傳輸，處理等各個步驟配合決定。在系統(tǒng)出問題時，假如能夠判定為硬件故障，能夠經(jīng)過對每個主要傳輸步驟信號眼圖采集分析，定位問題點(diǎn)，從而到達(dá)修復(fù)維護(hù)。那么要分析眼圖不良，咱們首先要了解影響信號完整性原因。什么是信號完整性(signalintegrity) 信號完整性是指信號在信號線上質(zhì)量。信號含有良好信號完整性是指當(dāng)在需要時候，含有所必需到達(dá)電壓電平數(shù)值。差信號完整性不是由某一單一原因造成，而是板級設(shè)計(jì)中各種原因共同引發(fā)。主要信號完整性問題包含反射、振蕩、地彈、串?dāng)_等。常見信號完整性問題及處理方法 什么是反射(reflection)反射就是在傳輸線上回波。 眼圖及信號完整性第25頁眼圖不良原因分

11、析 信號功率(電壓和電流)一個別傳輸?shù)骄€上并到達(dá)負(fù)載處，不過有一個別被反射了。假如源端與負(fù)載端含有相同阻抗，反射就不會發(fā)生了。源端與負(fù)載端阻抗不匹配會引發(fā)線上反射，負(fù)載將一個別電壓反射回源端。假如負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)，反之，假如負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。布線幾何形狀、不正確線端接、經(jīng)過連接器傳輸及電源平面不連續(xù)等原因改變均會造成這類反射。什么是串?dāng)_(crosstalk) 串?dāng)_是兩條信號線之間耦合，信號線之間互感和互容引發(fā)線上噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。PCB板層參數(shù)、信號線間距、驅(qū)動端和接收端電氣特征及線端接方式對串?dāng)_都有一定影響。 什么是過沖(ov

12、ershoot)和下沖(undershoot) 過沖就是第一個峰值或谷值超出設(shè)定電壓對于上升沿是指最高電壓而對于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個谷值或峰值。眼圖及信號完整性第26頁眼圖不良原因分析 過分過沖能夠引發(fā)保護(hù)二極管工作，造成過早地失效。過分下沖能夠引發(fā)假時鐘或數(shù)據(jù)錯誤 。什么是振蕩(ringing)和圍繞振蕩（rounding） 振蕩現(xiàn)象是重復(fù)出現(xiàn)過沖和下沖。信號振蕩和圍繞振蕩由線上過分電感和電容引起，振蕩屬于欠阻尼狀態(tài)而圍繞振蕩屬于過阻尼狀態(tài)。信號完整性問題通常發(fā)生在周期信號中，如時鐘等，振蕩和圍繞振蕩同反射一樣也是由各種原因引發(fā)，振蕩能夠經(jīng)過適當(dāng)端接給予減小，不過不可能完全消除

13、。什么是地電平面反彈噪聲和回流噪聲 在電路中有大電流涌動時會引發(fā)地平面反彈噪聲（簡稱為地彈），如大量芯片輸出同時開啟時，將有一個較大瞬態(tài)電流在芯片與板電源平面流過，芯片封裝與電源平面電感和電阻會引發(fā)電源噪聲，這么會在真正地平面（0V）上產(chǎn)生電壓波動和改變，這個噪聲會影響其它元器件動作。負(fù)載電容增大、負(fù)載電阻減小、地電感增大、同時開關(guān)器件數(shù)目標(biāo)增加均會造成地彈增大。 眼圖及信號完整性第27頁眼圖不良原因分析 因?yàn)榈仉娖矫妫ò娫春偷兀┓指睿热绲貙颖环指顬閿?shù)字地、模擬地、屏蔽地等，當(dāng)數(shù)字信號走到模擬地線區(qū)域時，就會產(chǎn)生地平面回流噪聲。一樣電源層也可能會被分割為2.5V，3.3V，5V等。所以在

14、多電壓PCB設(shè)計(jì)中，地電平面反彈噪聲和回流噪聲需要尤其關(guān)心。 什么是假時鐘(falseclocking) 假時鐘是指時鐘越過閾值(threshold)無意識地改變了狀態(tài)(有時在VIL或VIH之間)。通常因?yàn)檫^分下沖(undershoot)或串?dāng)_(crosstalk)引發(fā)。 眼圖及信號完整性第28頁眼圖不良原因分析 信號完整性不良，表現(xiàn)在眼圖上為抖動大（JITTER），眼皮厚，雙眼皮，眼圖不對稱（眼圖余量?。^沖。全部不良中 JITTER是比較普遍，所以咱們重點(diǎn)分析一下JITTER不良原因。 所謂jitter就是一個抖動。 Jitter是來自與一個事件理想時間偏差，參考事件是電子事件微分零點(diǎn)交

15、叉口（differential zero crossing）和光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)稱接收門限功率電平。Jitter是由確定性內(nèi)容和高斯（隨機(jī)）內(nèi)容組成。 眼圖及信號完整性第29頁眼圖不良原因分析 Jitter普通歸納為：完全無規(guī)律隨機(jī)jitter （radeom jitter）和一些特定事情相關(guān)系jitter （ correlated jitter） ，下面咱們進(jìn)行深入了解。確定性Jitter（DJ）定義 確定性Jitter是含有一個非高斯概率密度函數(shù)Jitter，確定性jitter總是在幅度上跳躍并在特定原因下發(fā)生，四種確定性jitter被定義：占空比失真jitter、數(shù)據(jù)隸屬jitter、正弦jit

16、ter和不相關(guān)（對數(shù)據(jù)）跳躍jitter，DJ特征由它跳躍和峰峰值決定。 DJ形式有幾個，時鐘信號是經(jīng)典易受占空比失真（DCD）和周期Jitter（PJ）影響，數(shù)據(jù)信號也輕易受DCD和PJ影響，還易受符號間干擾（ISI）和數(shù)據(jù)隸屬Jitter（DDJ）影響。不論采樣尺寸怎樣改變，只要充分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)被采集以完成每個周期元素最少一個完全周期，那么DJ總量將保持不變。 眼圖及信號完整性第30頁眼圖不良原因分析 DJ來自于哪里? DJ是經(jīng)典由串?dāng)_、EMI、同時開關(guān)輸出（SSO）、設(shè)備功效隸屬和其它有規(guī)律發(fā)生干擾信號引發(fā)。1）串?dāng)_：當(dāng)一根受影響線（一個電路板上一根走線或一個電纜中2根鄰近線）被一根驅(qū)動線上產(chǎn)

17、生磁場影響時，串?dāng)_發(fā)生。受影響導(dǎo)體感應(yīng)系數(shù)增加將使感應(yīng)磁場轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電流，感應(yīng)電流累加（正極或負(fù)極）將使被影響線電流逐步增加或電壓逐步減小，電壓逐步減小將在被影響線上引發(fā)jitter。 2）EMI： EMI源：開關(guān)電源、AC電源線、RF信號源等等 。 EMI磁場影響與串?dāng)_產(chǎn)生jitter非常相同，在串?dāng)_情況下，一個磁場將感應(yīng)出一個感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流（正極或負(fù)極）將使被影響線上電流增加， 所以在被影響線上產(chǎn)生jitter。 眼圖及信號完整性第31頁眼圖不良原因分析3）噪聲參考平面 當(dāng)電源平面噪聲引發(fā)下游邏輯門門限電壓參考改變時，DJ這種形式發(fā)生。這個改變與輸入信號回轉(zhuǎn)率成百分比，當(dāng)Vt在門上被

18、超出，輸出晶體管將導(dǎo)通。 當(dāng)?shù)貐⒖计矫嬖赩t 有一個改變時，這個電壓改變將造成門開關(guān)超前或滯后，由此產(chǎn)生時間誤差引發(fā)jitter。 4）同時開關(guān)輸出（SSO） 假如幾個輸出管腳轉(zhuǎn)換到同一個狀態(tài)，將在Vcc和GND平面上感應(yīng)出一個電流尖峰。 這些尖峰電流能夠引發(fā)門限電壓判斷點(diǎn)改變，因?yàn)槟Ｊ矫舾行院鸵驗(yàn)镾SO造成jitter邊緣幅度跳躍，這被認(rèn)為是DJ。 眼圖及信號完整性第32頁眼圖不良原因分析 RMS Jitter（RMSJ）或隨機(jī)Jitter（RJ）定義 該Jitter特征表現(xiàn)為一個高斯分布，隨機(jī)jitter被定義為峰峰值，該值為一比特誤差率（BER）10- e12高斯分布標(biāo)準(zhǔn)偏差14倍。RM

19、S jitter是jitter均方根或標(biāo)準(zhǔn)偏差，對于一個高斯分布，RMS值為BER 10-e12峰峰值1/14。 隨機(jī)（高斯）jitter在自然界中是隨機(jī)，它經(jīng)典表現(xiàn)為一個高斯分布特點(diǎn)，RJ將伴隨時間繼續(xù)增加，這就是為何隨機(jī)jitter被提及為極大原因。 RJ來自于哪里？ 象全部物理現(xiàn)象一樣，發(fā)生在電子信號中邊緣偏差將包含隨機(jī)行為一些水平， 這些成份在自然界中是概率統(tǒng)計(jì)而且能夠被一個高斯函數(shù)最好建模，隨機(jī)jitter是極大，所以直接影響長久可靠性。 隨機(jī)jitter來自于半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)熱震動，因?yàn)椴灰?guī)則涂料密度和加工不規(guī)則性，導(dǎo)體原子熱震動和許多小貢獻(xiàn)者（宇宙輻射等等），材料邊界小于理想原子價

20、電子映射（valence electron mapping）。 眼圖及信號完整性第33頁眼圖不良改進(jìn) 經(jīng)過通信系統(tǒng)基礎(chǔ)了解及信號完整性不良原因認(rèn)識，咱們對不良眼圖因何造成不良及不良原因應(yīng)該能夠定位并分析出處理改進(jìn)對策。 結(jié)合到客戶應(yīng)用（Host），系統(tǒng)各個步驟設(shè)計(jì)及匹配不合理都可能造成整個系統(tǒng)癱瘓奔潰。針對咱們產(chǎn)品光模塊，對客戶應(yīng)用只是一個透明光/電，電/光轉(zhuǎn)換盒。為了確保整個系統(tǒng)可靠工作，咱們模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)必須眼圖合格，余量大，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 所以，咱們不考慮系統(tǒng)其它原因影響，在模塊范圍內(nèi)改進(jìn)眼圖。 用信號發(fā)生器發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)信號，DCA上觀察光眼圖；經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)光模塊發(fā)送光信號，模塊接收后在DCA上觀

21、察電眼圖。 咱們光眼圖不良依據(jù)不良情況大致可分為兩類：光電轉(zhuǎn)換不良和硬件設(shè)計(jì)工作不良。 1）光電轉(zhuǎn)換不良能夠經(jīng)過調(diào)整激光器工作參數(shù)（工作電流，賠償?shù)龋?進(jìn)行改進(jìn)； 2）硬件設(shè)計(jì)工作不良，普通咱們經(jīng)過阻抗匹配，端接，阻尼，RC延遲上升沿，去耦等等辦法改進(jìn)眼圖。眼圖及信號完整性第34頁眼圖不良改進(jìn)光電轉(zhuǎn)換不良改進(jìn)：光電轉(zhuǎn)換關(guān)系（IP曲線）眼圖及信號完整性第35頁眼圖不良改進(jìn)激光器等效模型眼圖及信號完整性第36頁眼圖不良改進(jìn)經(jīng)典FP LD正向壓降:1.2V 1.8V,直流電阻46歐姆，假設(shè),2.5GHZ,引腳寄生電感1.5nH,最大MOD電流60mA下：則，20%80% Rise/Fall time

22、=80pS, 電流改變按60%估算=36mA,壓降V=1.5nH*(36mA/80pS)=0.68V。假如，RD=20歐姆，則電阻上壓降為：V=20*0.06=1.2V， 那么，整個壓降=0.68+1.2+1.6（LD壓降）=3.48V，供電電壓3.3V所以，直流耦合大功率，高速比較困難。眼圖及信號完整性第37頁眼圖不良改進(jìn)交流耦合能夠處理直流耦合缺點(diǎn)。一樣條件，改交流耦合后，壓降=60mA*5ohm+0.68V+(60mA/2)*20ohm=1.58V，所以，能夠快速執(zhí)行大電流開關(guān)動作。但，交流耦合增加元件數(shù)而且低頻效果差！ 依據(jù)對激光器工作原理分析，光電轉(zhuǎn)換不良主要表現(xiàn)為：消光比不良，交叉

23、點(diǎn)不良，高溫眼圖不良，低電壓不良等等。這主要是因?yàn)榧す馄鞴ぷ鼽c(diǎn)配置不合理，高低溫賠償設(shè)置不合理，工作電阻匹配不合理造成壓降過大或調(diào)制電流過大等等。詳細(xì)問題能夠經(jīng)過分析調(diào)試得到改進(jìn)。比如：右上圖可能是Ibias電流設(shè)置太小，低于Ith，激光器未能完全打開。增加Ibias電流即可！眼圖及信號完整性第38頁眼圖不良改進(jìn)不良眼圖：不良原因：Ibias太小，產(chǎn)生振蕩。處理方法：加大Ibias，滿足Ith要求。眼圖及信號完整性第39頁眼圖不良改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)工作不良改進(jìn)： 主要表現(xiàn)為雙線，過沖，不對稱，抖動大，眼圖余量小。 就以下列圖為例分析：眼圖及信號完整性第40頁眼圖不良改進(jìn)不良現(xiàn)象：不良表現(xiàn)：過沖；不良原因：上升沿太快；上拉磁珠品質(zhì)因數(shù)Q過高。處理方法：1）加低通濾波器，讓上升下降沿速度變慢降低過沖； 2）給磁珠并聯(lián)電阻，減弱Q值； 3）調(diào)整阻尼電阻（RD）值。眼圖及信號完整性第41頁眼圖不良改進(jìn)不良眼圖：不良現(xiàn)象：眼圖下沖，上升/下降沿在半個周期內(nèi)未能到達(dá)高低電平。不良原因：可能驅(qū)動輸出信號被減弱