眼圖及信號完整性演示文稿

眼圖及信號完整性演示文稿當(dāng)前1頁，總共47頁。講座內(nèi)容一般通信系統(tǒng)基本模型眼圖定義眼圖和通信質(zhì)量的關(guān)系眼圖不良原因分析眼圖不良改善信號完整性設(shè)計結(jié)語當(dāng)前2頁，總共47頁。一般通信系統(tǒng)基本模型通信系統(tǒng)基本框圖當(dāng)前3頁，總共47頁。一般通信系統(tǒng)基本模型簡單解釋：PAM信號：（PulseAmplitudeModulation）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散時間樣值的過程稱為抽樣，抽樣后的信號稱為脈沖調(diào)幅（PAM）信號。在滿足抽樣定理條件下，抽樣信號保留了原信號的全部信息，并且從抽樣信號中可以無失真的恢復(fù)出原始信號。當(dāng)前4頁，總共47頁。一般通信系統(tǒng)基本模型PCM編碼：（PulseCodeModulation）脈沖編碼調(diào)制。日常生活中的信號是模擬的，我們把這些信號通過濾波等處理，得到帶限的信號，以基帶信號Singnal為例子。Singnal經(jīng)過采樣保持電路，我們就得到PAM信號，這樣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的幅度中，比如我們有2V，4V，6V，8V四個檔次的歸類，并且規(guī)定1V~3V之間的PAM離散信號就歸類到2V的檔次中去，依次類推，通過比較給每個PAM信號進(jìn)行歸類，這就是量化。量化后的信號進(jìn)行編碼，編碼是一種人為規(guī)定的過程，比如我們規(guī)定2V用00表示，4V用01表示，6V用10表示，而8V用11表示。這樣就把階梯信號和二進(jìn)制信號有了一種對應(yīng)關(guān)系，順著這種對應(yīng)關(guān)系，我們可以得到剛才量化了的信號的二進(jìn)制代碼，這就是PCM編碼，可以在存儲器中存儲的數(shù)字信號。以上從模擬到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變就是我們常說的A/D轉(zhuǎn)換。至于我們平時要求的轉(zhuǎn)換比特率的求法可以從它的轉(zhuǎn)換過程得出計算方法。一個PAM信號對應(yīng)一個檔次，而一個檔次對應(yīng)幾個比特的數(shù)

當(dāng)前5頁，總共47頁。一般通信系統(tǒng)基本模型

字是在編碼中體現(xiàn)的，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，對模擬信號的采樣率是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)換的數(shù)字信號，我們?nèi)绾翁幚砟?？有的是被放進(jìn)存儲器中存儲了，有的是到CPU中進(jìn)行計算，加密等處理了。通常為了達(dá)到通信的目的，我們就要將數(shù)字信號傳遞并且轉(zhuǎn)換成模擬信號，因為生活中模擬信號才是我們可以直接使用的。所以我們從存儲器中讀取數(shù)字信號，這些數(shù)字信號是基帶信號，不容易傳輸。經(jīng)過數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)就可以轉(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。當(dāng)前6頁，總共47頁。一般通信系統(tǒng)基本模型

接收設(shè)備將這些信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過解調(diào)器，就可以還原基帶信號，同樣可以將它們放進(jìn)存儲器存儲。這可以理解成網(wǎng)絡(luò)視頻在我們的電腦上的緩存，緩存中的信號通過解碼就可將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成各種量化的臺階信號。最后將臺階信號進(jìn)行填補(bǔ)恢復(fù)，我們就有可以得到原來的輸入的模擬波形了，由此我們就完成了一次通信。如果模擬信號不需要數(shù)字化，那么我們可以進(jìn)行模擬調(diào)制，同樣可以發(fā)送出去，這個過程要簡單些。當(dāng)前7頁，總共47頁。眼圖定義中文名稱：眼圖英文名稱：eyediagram;eyepattern定義：示波器屏幕上所顯示的數(shù)字通信符號,由許多波形部分重疊形成，其形狀類似“眼”的圖形?！把邸贝蟊硎鞠到y(tǒng)傳輸特性好；“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）；通信原理與基本技術(shù)（二級學(xué)科）

當(dāng)前8頁，總共47頁。眼圖定義當(dāng)前9頁，總共47頁。眼圖和通信質(zhì)量的關(guān)系概念

眼圖是指利用實驗的方法估計和改善（通過調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個示波器跨接在接收濾波器的輸出端，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的周期同步，這時示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱為“眼圖”。從“眼圖”上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能。

當(dāng)前10頁，總共47頁。眼圖和通信質(zhì)量的關(guān)系眼圖的成因：由于示波器的余輝作用，掃描所得的每一個碼元波形將重疊在一起，從而形成眼圖。碼間串?dāng)_：眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱?！把劬Α睆埖脑酱螅已蹐D越端正，表示碼間串?dāng)_越小；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，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時存在碼間串?dāng)_，“眼睛”將張開得更小。與無碼間串?dāng)_時的眼圖相比，原來清晰端正的細(xì)線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正。當(dāng)前11頁，總共47頁。眼圖和通信質(zhì)量的關(guān)系

眼圖對于展示數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串?dāng)_的大小和噪聲的強(qiáng)弱，有助于直觀地了解碼間串?dāng)_和噪聲的影響，評價一個基帶系統(tǒng)的性能優(yōu)劣；可以指示接收濾波器的調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_。（1）最佳抽樣時刻應(yīng)在“眼睛”張開最大的時刻。（2）對定時誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。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區(qū)的垂直高度，表示最大信號畸變。（4）眼圖中央的橫軸位置應(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的一根線跡至門限的距離表示各相應(yīng)電平的噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就可能發(fā)生錯誤判決。當(dāng)前12頁，總共47頁。眼圖和通信質(zhì)量的關(guān)系（6）對于利用信號過零點取平均來得到定時信息的接收系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小，表示零點位置的變動范圍，這個變動范圍的大小對提取定時信息有重要的影響。

因此，通信系統(tǒng)的信號質(zhì)量可以通過眼圖很直觀分析判斷，為系統(tǒng)不良點分析，定位及改善提供依據(jù)。觀察和判斷一個產(chǎn)品眼圖是否合格的能力是設(shè)計工程師必備能力。當(dāng)前13頁，總共47頁。眼圖不良原因分析合格眼圖：當(dāng)前14頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前15頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前16頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前17頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前18頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前19頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前20頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前21頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前22頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前23頁，總共47頁。眼圖不良原因分析不良眼圖：當(dāng)前24頁，總共47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，信號的完整性是由產(chǎn)生，傳輸，處理等各個環(huán)節(jié)的配合決定的。在系統(tǒng)出問題時，如果可以判定為硬件故障，可以通過對每個重要傳輸環(huán)節(jié)的信號眼圖采集分析，定位問題點，從而達(dá)到修復(fù)維護(hù)。那么要分析眼圖不良，我們首先要了解影響信號完整性的因素。什么是信號完整性(signal

integrity)

信號完整性是指信號在信號線上的質(zhì)量。信號具有良好的信號完整性是指當(dāng)在需要的時

候，具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值。差的信號完整性不是由某一單一因素導(dǎo)致的，而是板

級設(shè)計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串?dāng)_等。常見信號完整性問題及解決方法

什么是反射(reflection)

反射就是在傳輸線上的回波。

當(dāng)前25頁，總共47頁。眼圖不良原因分析

信號功率(電壓和電流)的一部分傳輸?shù)骄€上并達(dá)到負(fù)載

處，但是有一部分被反射了。如果源端與負(fù)載端具有相同的阻抗，反射就不會發(fā)生了。源端

與負(fù)載端阻抗不匹配會引起線上反射，負(fù)載將一部分電壓反射回源端。如果負(fù)載阻抗小于源

阻抗，反射電壓為負(fù)，反之，如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。布線的幾何形狀、

不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面的不連續(xù)等因素的變化均會導(dǎo)致此類反射。什么是串?dāng)_(crosstalk)

串?dāng)_是兩條信號線之間的耦合，信號線之間的互感和互容引起線上的噪聲。容性耦合引

發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。PCB

板層的參數(shù)、信號線間距、驅(qū)動端和接收端的

電氣特性及線端接方式對串?dāng)_都有一定的影響。什么是過沖(overshoot)和下沖(undershoot)

過沖就是第一個峰值或谷值超過設(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。當(dāng)前26頁，總共47頁。眼圖不良原因分析

過分的過沖能夠引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致過早

地失效。過分的下沖能夠引起假的時鐘或數(shù)據(jù)錯誤。

什么是振蕩(ringing)和

環(huán)繞振蕩（rounding）振蕩的現(xiàn)象是反復(fù)出現(xiàn)過沖和下沖。信號的振蕩和環(huán)繞振蕩由線上過度的電感和電容引

起，振蕩屬于欠阻尼狀態(tài)而環(huán)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，振蕩和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過適當(dāng)?shù)亩?/p>

接予以減小，但是不可能完全消除。什么是地電平面反彈噪聲和回流噪聲

在電路中有大的電流涌動時會引起地平面反彈噪聲（簡稱為地彈），如大量芯片的輸出

同時開啟時，將有一個較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過，芯片封裝與電源平面的

電感和電阻會引發(fā)電源噪聲，這樣會在真正的地平面（0V）上產(chǎn)生電壓的波動和變化，這個

噪聲會影響其它元器件的動作。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時開

關(guān)器件數(shù)目的增加均會導(dǎo)致地彈的增大。

當(dāng)前27頁，總共47頁。眼圖不良原因分析

由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層

被分割為數(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。同樣電源層也可能會被分割為2.5V，3.3V，5V

等。所以在多電壓PCB

設(shè)計中，地

電平面的反彈噪聲和回流噪聲需要特別關(guān)心。

什么是假時鐘(false

clocking)

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

常由于過分的下沖(undershoot)或串?dāng)_(crosstalk)引起。

當(dāng)前28頁，總共47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?。?，過沖。所有不良中

JITTER是比較普遍的，所以我們重點分析一下JITTER不良原因。

所謂jitter就是一種抖動。

Jitter是來自與一個事件的理想時間的偏差，參考事件是電子事件的微分零點交叉口（differentialzerocrossing）和光學(xué)系統(tǒng)的標(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)容組成的。

當(dāng)前29頁，總共47頁。眼圖不良原因分析

Jitter一般歸納為：完全無規(guī)律的隨機(jī)jitter（radeomjitter）和某些特定事情有關(guān)系jitter（correlatedjitter），下面我們進(jìn)行深入了解。確定性Jitter（DJ）定義

確定性Jitter是具有一個非高斯概率密度函數(shù)的Jitter，確定性jitter總是在幅度上跳躍的并在特定的原因下發(fā)生，四種確定性jitter被定義：占空比失真jitter、數(shù)據(jù)從屬jitter、正弦jitter和不相關(guān)（對數(shù)據(jù)）跳躍jitter，DJ的特性由它的跳躍和峰峰值決定。

DJ的形式有幾種，時鐘信號是典型的易受占空比失真（DCD）和周期Jitter（PJ）的影響的，數(shù)據(jù)信號也容易受DCD和PJ的影響，還易受符號間干擾（ISI）和數(shù)據(jù)從屬Jitter（DDJ）的影響。不管采樣尺寸如何改變，只要充足的數(shù)據(jù)點被采集以完成每個周期元素的至少一個完全的周期，那么DJ的總量將保持不變。當(dāng)前30頁，總共47頁。眼圖不良原因分析

DJ來自于哪里?

DJ是典型的由串?dāng)_、EMI、同步開關(guān)輸出（SSO）、設(shè)備功能從屬和其它有規(guī)律發(fā)生的干擾信號引起的。1）串?dāng)_：當(dāng)一根受影響的線（一個電路板上的一根走線或一個電纜中的2根鄰近的線）被一根驅(qū)動線上產(chǎn)生的磁場影響時，串?dāng)_發(fā)生。受影響的導(dǎo)體的感應(yīng)系數(shù)的增加將使感應(yīng)磁場轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的累加（正極或負(fù)極）將使被影響的線的電流逐漸增加或電壓逐漸減小，電壓的逐漸減小將在被影響的線上引起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)生的jitter非常相似，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）將使被影響的線上的電流增加，因此在被影響的線上產(chǎn)生jitter。當(dāng)前31頁，總共47頁。眼圖不良原因分析3）噪聲參考平面當(dāng)電源平面的噪聲引起下游邏輯門的門限電壓的參考改變時，DJ的這種形式發(fā)生。這個改變與輸入信號的回轉(zhuǎn)率成比例，當(dāng)Vt在門上被超過，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，這個電壓的改變將導(dǎo)致門的開關(guān)的超前或滯后，由此產(chǎn)生的時間誤差引起jitter。4）同步開關(guān)輸出（SSO）

如果幾個輸出管腳轉(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。這些尖峰電流可以引起門限電壓判斷點的改變，由于模式的敏感性和由于SSO造成的jitter邊緣幅度的跳躍，這被認(rèn)為是DJ。當(dāng)前32頁，總共47頁。眼圖不良原因分析RMSJitter（RMSJ）或隨機(jī)Jitter（RJ）定義

該Jitter的特性表現(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的高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差的14倍。RMSjitter是jitter的均方根或標(biāo)準(zhǔn)偏差，對于一個高斯分布，RMS值為BER10-e12的峰峰值的1/14。隨機(jī)（高斯）jitter在自然界中是隨機(jī)的，它典型的表現(xiàn)為一個高斯分布的特點，RJ將隨著時間繼續(xù)的增加，這就是為什么隨機(jī)jitter被提及為極大的原因。

RJ來自于哪里？

象所有的物理現(xiàn)象一樣，發(fā)生在電子信號中的邊緣偏差將包括隨機(jī)行為的一些水平，這些成分在自然界中是概率統(tǒng)計的并且可以被一個高斯函數(shù)最好的建模，隨機(jī)jitter是極大的，因此直接的影響長期的可靠性。隨機(jī)jitter來自于半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的熱震動，由于不規(guī)則涂料密度和加工的不規(guī)則性，導(dǎo)體原子的熱震動和許多小的貢獻(xiàn)者（宇宙輻射等等），材料邊界小于理想的原子價電子映射（valenceelectronmapping）。當(dāng)前33頁，總共47頁。眼圖不良改善

通過通信系統(tǒng)的基本了解及信號完整性不良因素的認(rèn)識，我們對不良眼圖因何導(dǎo)致不良及不良原因應(yīng)該可以定位并分析出解決改善的對策。結(jié)合到客戶應(yīng)用（Host），系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)設(shè)計及匹配不合理都可能造成整個系統(tǒng)癱瘓奔潰。針對我們的產(chǎn)品—光模塊，對客戶應(yīng)用只是一個透明的光/電，電/光轉(zhuǎn)換盒。為了保證整個系統(tǒng)的可靠工作，我們的模塊設(shè)計指標(biāo)必須眼圖合格，余量大，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，我們不考慮系統(tǒng)其它因素影響，在模塊范圍內(nèi)改善眼圖。用信號發(fā)生器發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)信號，DCA上觀察光眼圖；通過標(biāo)準(zhǔn)光模塊發(fā)送光信號，模塊接收后在DCA上觀察電眼圖。

我們的光眼圖不良根據(jù)不良情況大致可分為兩類：光電轉(zhuǎn)換不良和硬件設(shè)計工作不良。

1）光電轉(zhuǎn)換不良可以通過調(diào)整激光器的工作參數(shù)（工作電流，補(bǔ)償?shù)龋┻M(jìn)行改善；

2）硬件設(shè)計工作不良，一般我們通過阻抗匹配，端接，阻尼，RC延遲上升沿，去耦等等措施改善眼圖。當(dāng)前34頁，總共47頁。眼圖不良改善光電轉(zhuǎn)換不良改善：光電轉(zhuǎn)換關(guān)系（IP曲線）當(dāng)前35頁，總共47頁。眼圖不良改善激光器等效模型當(dāng)前36頁，總共47頁。眼圖不良改善典型的FPLD正向壓降:1.2V~1.8V,直流電阻4~6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/Falltime=80pS,電流變化按60%估算=36mA,壓降V=1.5nH*(36mA/80pS)=0.68V。如果，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。當(dāng)前37頁，總共47頁。眼圖不良改善交流耦合可以解決直流耦合缺陷。同樣的條件，改交流耦合后，壓降=60mA*5ohm+0.68V+(60mA/2)*20ohm=1.58V，所以，可以快速執(zhí)行大電流開關(guān)動作。但，交流耦合增加元件數(shù)并且低頻效果差！根據(jù)對激光器工作原理的分析，光電轉(zhuǎn)換不良主要表現(xiàn)為：消光比不良，交叉點不良，高溫眼圖不良，低電壓不良等等。這主要是因為激光器工作點配置不合理，高低溫補(bǔ)償設(shè)置不合理，工作電阻匹配不合理導(dǎo)致壓降過大或調(diào)制電流過大等等。具體問題可以通過分析調(diào)試得到改善。例如：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！當(dāng)前38頁，總共47頁。眼圖不良改善不良眼圖：不良原因：Ibias太小，產(chǎn)生振蕩。解決辦法：加大Ibias，滿足Ith要求。當(dāng)前39頁，總共47頁。眼圖不良改善硬件設(shè)計工作不良改善：主要表現(xiàn)為雙線，過沖，不對稱，抖動大，眼圖余量小。就以下圖為例分析：當(dāng)前40頁，總共47頁。眼圖不良改善不良現(xiàn)象：不良表現(xiàn)：過沖；不良原因：上升沿太快；上拉磁珠的品質(zhì)因數(shù)Q過高。解決辦法：1）加低通濾波器，讓上升下降沿速度變慢減少過沖；

2）給磁珠并聯(lián)電阻，削弱Q值；

3）調(diào)整阻尼電阻（RD）值。當(dāng)前41頁，總共47頁。眼圖不良改善不良眼圖：不良現(xiàn)象：眼圖下沖，上升/下降沿在半個周期內(nèi)未能達(dá)到高低電平。不良原因：可能驅(qū)動輸出信號被削弱，OUT+，OUT-間分布電容過大。解決辦法：1）減小OUT+，OUT-間分布電容；

2）減小OUT+上的負(fù)載電容；

3）減小串聯(lián)阻尼電阻。當(dāng)前42