高速信号眼图怎么看

Hi。小杜作为PCIe数字验证工程师，工作中接触到了PCIe Compliance、Margin测试，这两个测试都涉及到了高速信号"眼图"的概念。本文小杜来介绍一下怎么看眼图，从而理解Compliance、Margin测试到底在测什么。小杜经验尚浅，如有错误，还请批评指正。

什么是眼图?

眼图(Eye Diagram)是一种用于分析高速数字信号传输质量的重要工具。通过在示波器上重叠多个周期的信号波形，生成一个形状类似于眼睛的图形，这就是眼图。眼图能够直观地展示信号的完整性、抖动和噪声等关键参数。通过观察眼图的开口大小和形状，工程师可以评估信号传输的质量和稳定性，识别并解决潜在的信号完整性问题，从而确保高速数据传输链路(如PCIe)的可靠性。

比如下图就是PCIe NRZ眼图和PAM-4眼图。‍‍‍

一般来说，眼图张得越开，传输过程的误码率(BER, Bit Error Rate)也就越低。误码率非常重要，每位工程师都渴望误码率为0! 误码率：接受到的错误比特数 / 总传输比特数

如何看眼图?

眼图分为X轴和Y轴，其中Y轴表示电压幅度，X轴表示时间。相信看完本文你也能看懂X轴和Y轴的信息啦!‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

不过在介绍下面内容之前，需要了解单位间隔(UI)的概念。UI 定义为一个数据位宽，与数据速率无关。例如，在 9.8 Gbps 数据流中，一个 UI 相当于 102 ps。对于 2.0 Gbps 数据流，一个 UI 相当于 500 ps。一个眼图一般会显示2个UI，左侧1/2UI展示半个眼图，中间1个UI展示完整眼图，右侧1/2UI展示半个眼图。好了，让我们正式开始介绍眼图的Y轴和X轴。

眼图的电压幅度(Y轴)

Y轴涉及到的主要概念包括："1"电平/"0"电平、眼图幅度、高度以及眼图交叉百分比。

- "1"电平(One Level)和"0"电平(Zero Level)

"1"电平为眼图顶部中间20% UI(也称为40%到60%区域)内捕获的所有数据样本的直方图平均值。同"1"电平，"0"电平是眼图底部中间20%UI内捕获的所有数据样本的直方图平均值。

- 眼睛幅度和高度

眼图幅度："1"电平和 "0"电平之间的差值。使用的计算值是所示两个直方图的平均值，在眼图交叉的中间 20% 区域内测量。

眼图高度：通过计算"1"电平和"0"电平直方图内部3s点之间的差值。

- 眼图交叉百分比

眼图交叉百分比是相对于 1 和 0 电平的交叉点幅度的度量。它清楚地表明了系统数据脉冲对称性的表现如何。

比如下图，当"1"和"0"电平对称性变差，眼图交叉百分比就会偏离50%。当眼图交叉对称性值偏离是完美的50%时，眼睛大且对称，从而降低误码率。

- 信噪比

信噪比(SNR, Signal-to-Noise Ratio)是衡量信号质量的一个重要参数。它表示信号相对于噪声的强度，信噪比越高，意味着信号质量越好，噪声对信号的影响越小。在眼图中，信噪比可以定义为信号的有效电压(通常是信号的峰峰值电压)与噪声电压的比值。噪声电压是指在信号传输过程中叠加在信号上的不期望的电压变化。

在眼图中，垂直开口越大，表示信号电压相对于噪声电压的差距越大，信噪比越高。眼图中的噪声带宽越窄，表示噪声电压越小，信噪比越高。常见的噪声源包括电源噪声、环境电磁干扰、PCB布局等都会影响噪声电压。

下面这张图展示一个信噪比很差的眼睛，可以看出下图眼睛的眼皮非常”模糊“。

眼图时间轴(X轴)

在眼图中，X轴表示时间轴，是用于展示信号在不同时间点的变化情况。通过在示波器上重叠多个信号周期，时间轴上会显示出一个周期内所有可能的信号过渡情况。

- 抖动

抖动是指信号过渡时间(如上升沿或下降沿)的随机或周期性变化。抖动会导致信号过渡点的不确定性和不稳定性。抖动可以是由由随机噪声引起的随机抖动，其呈高斯分布，也可以是由系统性的干扰或模式引起确定性抖动。抖动会缩小眼图的水平开口，降低时间裕度，使接收端更难准确采样信号，进而影响数据传输的可靠性。

- 上升时间和下降时间

上升时间是指信号从低电平过渡到高电平所需的时间，比如下图中20%电压值过渡到80%电压值。上升时间过长会导致信号边沿变得缓慢，可能导致码间干扰(ISI)，影响信号的频率响应和系统的传输速度。同理下降时间。

- 眼宽

眼宽表示在一个比特周期内，信号的稳定时间窗口。具体来说，眼宽是在垂直轴上选定一个电压阈值水平时，信号在水平轴上的时间开口。它反映了信号在给定电压水平下的时间裕度(时间容忍度)。 眼宽越大，表示信号抖动越小，时间裕度越大。信号在接收端能够稳定采样的时间窗口越宽，系统的可靠性和性能越好。较大的眼宽意味着接收端有更大的容错时间，能够在正确的时间点采样到有效信号，从而降低误码率。同时，较大的眼宽表明信号对抖动和噪声的敏感性较低，系统具有更好的抗干扰能力。

- 占空比失真

占空比失真是指理想方波信号的高电平和低电平持续时间的不对称性。理想情况下，高电平和低电平的时间应相等，但由于各种原因，这种对称性可能会被破坏。占空比失真会导致信号周期内的时间分布不均，影响信号的采样点，可能引起码间干扰(ISI)，并增加接收端的误码率。当眼图交叉对称值偏离理想的 0% DCD 值时，眼图会闭合，从而降低 BER。

眼图的应用

掩膜合规性测试 (Mask Compliance Testing)‍‍

眼图 Mask Compliance 测试是高速信号传输中一种重要的验证方法，用于评估信号是否符合特定标准和规范。通过对眼图中的信号波形进行分析，并将其与预定义的掩膜(mask)进行比较，工程师可以确定信号传输的质量和可靠性。

掩膜：一个在眼图中定义的区域，通常由一系列直线和曲线组成，形成一个闭合的形状。信号波形不应侵入这个掩膜区域，否则视为不合格。 信号波形完全在掩膜区域外，表示信号质量符合标准要求，传输可靠性高。而如果信号波形侵入掩膜区域，表示信号质量存在问题，可能需要优化PCB布局、改进信号完整性或调整系统参数。

掩膜裕度测试 (Mask Margin Test)

眼图 Margin Test 是一种用于评估高速数字信号传输可靠性和性能的测试方法。通过这项测试，工程师能够确定信号在不同条件下的容限(margin)，即在各种噪声、抖动和其他干扰因素存在时，系统仍然能可靠传输数据的能力。PCIe制造商可以通过测试通过的裕度的多少来监控和优化其生产过程。

感谢你耐心地看到这里，PCIe物理层的Compliance测试和Margin测试就是对高速串行线的眼图的测试，只有Compliance测试完美通过，Margin测试出的裕量满足要求，才能有信心相信设备能够很好的传输信息。小杜在此祝愿每个工程师都能得到一个完美的"眼睛"!