眼图及信号完整性

1、眼图及信号完整性眼图及信号完整性第1页讲座内容普通通信系统基础模型眼图定义眼图和通信质量关系眼图不良原因分析眼图不良改进信号完整性设计结语眼图及信号完整性第2页普通通信系统基础模型通信系统基础框图眼图及信号完整性第3页普通通信系统基础模型简单解释：PAM信号：（Pulse Amplitude Modulation）脉冲调幅信号。就是利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值过程称为抽样，抽样后信号称为脉冲调幅（PAM）信号。在满足抽样定理条件下，抽样信号保留了原信号全部信息，而且从抽样信号中能够无失真恢复出原始信号。眼图及信号完整性第4页普通通信系统基础模型PCM编码：（Pulse Code

2、Modulation）脉冲编码调制。 日常生活中信号是模拟，咱们把这些信号经过滤波等处理，得到带限信号，以基带信号Singnal为例子。Singnal经过采样保持电路，咱们就得到PAM信号，这么信号就是离散信号了。 离散信号经过量化归属到各个档次幅度中，比如咱们有2V，4V，6V，8V四个档次归类，而且要求1V3V之间PAM离散信号就归类到2V档次中去，依次类推，经过比较给每个PAM信号进行归类，这就是量化。 量化后信号进行编码，编码是一个人为要求过程，比如咱们要求2V用00表示，4V用01表示，6V用10表示，而8V用11表示。这么就把阶梯信号和二进制信号有了一个对应关系，顺着这种对应关系，

3、咱们能够得到刚才量化了信号二进制代码，这就是PCM 编码，能够在存放器中存放数字信号。 以上从模拟到数字信号转变就是咱们常说A/D转换。至于咱们平时要求转换比特率求法能够从它转换过程得出计算方法。一个PAM信号对应一个档次，而一个档次对应几个比特数 眼图及信号完整性第5页普通通信系统基础模型 字是在编码中表达，例子中就是一个档次对应两个比特，假如这种对应关系为1对N个比特，对模拟信号采样率是F，也就是1秒钟有F个PAM信号，这F个PAM信号就要被转换成F*N个比特，所以比特率就是F*N了。 对于完成转换数字信号，咱们怎样处理呢？ 有是被放进存放器中存放了，有是到CPU中进行计算，加密等处理了。

4、 通常为了到达通信目标，咱们就要将数字信号传递而且转换成模拟信号，因为生活中模拟信号才是咱们能够直接使用。 所以咱们从存放器中读取数字信号，这些数字信号是基带信号，不轻易传输。经过数字调制系统就能够转换成高频信号而被发送设备以各种形式比如微波，光信号传输出去。眼图及信号完整性第6页普通通信系统基础模型 接收设备将这些信号转换成电信号，经过解调器，就能够还原基带信号，一样能够将它们放进存放器存放。这能够了解成网络视频在咱们电脑上缓存，缓存中信号经过解码就可将数字信号转换成各种量化台阶信号。 最终将台阶信号进行填补恢复，咱们就有能够得到原来输入模拟波形了，由此咱们就完成了一次通信。 假如模拟信号不

5、需要数字化，那么咱们能够进行模拟调制，一样能够发送出去，这个过程要简单些。眼图及信号完整性第7页眼图定义汉字名称： 眼图 英文名称： eye diagram;eye pattern 定义： 示波器屏幕上所显示数字通信符号,由许多波形个别重合形成，其形状类似“眼”图形。“眼”大表示系统传输特征好；“眼”小表示系统中存在符号间干扰。 所属学科： 通信科技（一级学科） ； 通信原理与基础技术（二级学科） 眼图及信号完整性第8页眼图定义眼图及信号完整性第9页眼图和通信质量关系概念 眼图是指利用试验方法预计和改进（经过调整）传输系统性能时在示波器上观察到一个图形。观察眼图方法是：用一个示波器跨接在接收滤

6、波器输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元周期同时，这时示波器屏幕上看到图形像人眼睛，故称 为 “眼图”。从“眼图”上可 以观察出码间串扰和噪声影响，从而预计系统优劣程度。另外也能够用此图形对接收滤波器特征加以调整，以减小码间串扰和改进系统传输性能。 眼图及信号完整性第10页眼图和通信质量关系眼图成因：因为示波器余辉作用，扫描所得每一个码元波形将重合在一起，从而形成眼图。码间串扰 ： 眼图 “眼睛” 张开大小反应着码间串扰强弱。 “眼睛”张 越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。 当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到眼图线迹会变得含糊不清。若同

7、时存在码间串扰 ， “眼睛”将 张开得更小。与无码间串扰时眼图相比，原来清楚端正细线迹，变成了比较含糊带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越含糊；码间串扰越大，眼图越不端正。 眼图及信号完整性第11页眼图和通信质量关系 眼图对于展示数字信号传输系统性能提供了很多有用信息：能够从中看出码间串扰大小和噪声强弱，有利于直观地了解码间串扰和噪声影响，评价一个基带系统性能优劣；能够指示接收滤波器调整，以减小码间串扰。 （ 1 ）最正确抽样时刻应 在 “眼睛” 张开最大时刻。 （ 2 ）对定时误差灵敏度可由眼图斜边斜率决定。斜率越 大，对定时误差就越灵敏。 （ 3 ）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影

8、区垂直高度，表示最大信号畸变。 （ 4 ）眼图中央横轴位置应对应判决门限电平。 （ 5 ）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近一根线迹至门限距离表示各对应电平噪声容限，噪声瞬时值超出它就可能发生错误判决。 眼图及信号完整性第12页眼图和通信质量关系（6 ）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交区域大小，表示零点位置变动范围，这个变动范围大小对提取定时信息有主要影响。 所以，通信系统信号质量能够经过眼图很直观分析判断，为系统不良点分析，定位及改进提供依据。观察和判断一个产品眼图是否合格能力是设计工程师必备能力。眼图及信号完整性第13页眼图不良原因分析合格眼图：眼图及

9、信号完整性第14页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第15页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第16页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第17页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第18页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第19页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第20页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第21页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第22页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第23页眼图不良原因分析不良眼图：眼图及信号完整性第24页眼图不良原因分析 以上眼图不合格反应到通信系统就是信号完整性不良，信号完整性是由产

10、生，传输，处理等各个步骤配合决定。在系统出问题时，假如能够判定为硬件故障，能够经过对每个主要传输步骤信号眼图采集分析，定位问题点，从而到达修复维护。那么要分析眼图不良，咱们首先要了解影响信号完整性原因。什么是信号完整性(signalintegrity) 信号完整性是指信号在信号线上质量。信号含有良好信号完整性是指当在需要时候，含有所必需到达电压电平数值。差信号完整性不是由某一单一原因造成，而是板级设计中各种原因共同引发。主要信号完整性问题包含反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及处理方法 什么是反射(reflection)反射就是在传输线上回波。 眼图及信号完整性第25页眼图不良原因分

11、析 信号功率(电压和电流)一个别传输到线上并到达负载处，不过有一个别被反射了。假如源端与负载端含有相同阻抗，反射就不会发生了。源端与负载端阻抗不匹配会引发线上反射，负载将一个别电压反射回源端。假如负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，假如负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。布线几何形状、不正确线端接、经过连接器传输及电源平面不连续等原因改变均会造成这类反射。什么是串扰(crosstalk) 串扰是两条信号线之间耦合，信号线之间互感和互容引发线上噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。PCB板层参数、信号线间距、驱动端和接收端电气特征及线端接方式对串扰都有一定影响。 什么是过冲(ov

12、ershoot)和下冲(undershoot) 过冲就是第一个峰值或谷值超出设定电压对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。下冲是指下一个谷值或峰值。眼图及信号完整性第26页眼图不良原因分析 过分过冲能够引发保护二极管工作，造成过早地失效。过分下冲能够引发假时钟或数据错误 。什么是振荡(ringing)和围绕振荡（rounding） 振荡现象是重复出现过冲和下冲。信号振荡和围绕振荡由线上过分电感和电容引起，振荡属于欠阻尼状态而围绕振荡属于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等，振荡和围绕振荡同反射一样也是由各种原因引发，振荡能够经过适当端接给予减小，不过不可能完全消除

13、。什么是地电平面反弹噪声和回流噪声 在电路中有大电流涌动时会引发地平面反弹噪声（简称为地弹），如大量芯片输出同时开启时，将有一个较大瞬态电流在芯片与板电源平面流过，芯片封装与电源平面电感和电阻会引发电源噪声，这么会在真正地平面（0V）上产生电压波动和改变，这个噪声会影响其它元器件动作。负载电容增大、负载电阻减小、地电感增大、同时开关器件数目标增加均会造成地弹增大。 眼图及信号完整性第27页眼图不良原因分析 因为地电平面（包含电源和地）分割，比如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。一样电源层也可能会被分割为2.5V，3.3V，5V等。所以在

14、多电压PCB设计中，地电平面反弹噪声和回流噪声需要尤其关心。 什么是假时钟(falseclocking) 假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VIL或VIH之间)。通常因为过分下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引发。 眼图及信号完整性第28页眼图不良原因分析 信号完整性不良，表现在眼图上为抖动大（JITTER），眼皮厚，双眼皮，眼图不对称（眼图余量小），过冲。全部不良中 JITTER是比较普遍，所以咱们重点分析一下JITTER不良原因。 所谓jitter就是一个抖动。 Jitter是来自与一个事件理想时间偏差，参考事件是电子事件微分零点交

15、叉口（differential zero crossing）和光学系统标称接收门限功率电平。Jitter是由确定性内容和高斯（随机）内容组成。 眼图及信号完整性第29页眼图不良原因分析 Jitter普通归纳为：完全无规律随机jitter （radeom jitter）和一些特定事情相关系jitter （ correlated jitter） ，下面咱们进行深入了解。确定性Jitter（DJ）定义 确定性Jitter是含有一个非高斯概率密度函数Jitter，确定性jitter总是在幅度上跳跃并在特定原因下发生，四种确定性jitter被定义：占空比失真jitter、数据隶属jitter、正弦jit

16、ter和不相关（对数据）跳跃jitter，DJ特征由它跳跃和峰峰值决定。 DJ形式有几个，时钟信号是经典易受占空比失真（DCD）和周期Jitter（PJ）影响，数据信号也轻易受DCD和PJ影响，还易受符号间干扰（ISI）和数据隶属Jitter（DDJ）影响。不论采样尺寸怎样改变，只要充分数据点被采集以完成每个周期元素最少一个完全周期，那么DJ总量将保持不变。 眼图及信号完整性第30页眼图不良原因分析 DJ来自于哪里? DJ是经典由串扰、EMI、同时开关输出（SSO）、设备功效隶属和其它有规律发生干扰信号引发。1）串扰：当一根受影响线（一个电路板上一根走线或一个电缆中2根邻近线）被一根驱动线上产

17、生磁场影响时，串扰发生。受影响导体感应系数增加将使感应磁场转换为感应电流，感应电流累加（正极或负极）将使被影响线电流逐步增加或电压逐步减小，电压逐步减小将在被影响线上引发jitter。 2）EMI： EMI源：开关电源、AC电源线、RF信号源等等 。 EMI磁场影响与串扰产生jitter非常相同，在串扰情况下，一个磁场将感应出一个感应电流，该感应电流（正极或负极）将使被影响线上电流增加， 所以在被影响线上产生jitter。 眼图及信号完整性第31页眼图不良原因分析3）噪声参考平面 当电源平面噪声引发下游逻辑门门限电压参考改变时，DJ这种形式发生。这个改变与输入信号回转率成百分比，当Vt在门上被

18、超出，输出晶体管将导通。 当地参考平面在Vt 有一个改变时，这个电压改变将造成门开关超前或滞后，由此产生时间误差引发jitter。 4）同时开关输出（SSO） 假如几个输出管脚转换到同一个状态，将在Vcc和GND平面上感应出一个电流尖峰。 这些尖峰电流能够引发门限电压判断点改变，因为模式敏感性和因为SSO造成jitter边缘幅度跳跃，这被认为是DJ。 眼图及信号完整性第32页眼图不良原因分析 RMS Jitter（RMSJ）或随机Jitter（RJ）定义 该Jitter特征表现为一个高斯分布，随机jitter被定义为峰峰值，该值为一比特误差率（BER）10- e12高斯分布标准偏差14倍。RM

19、S jitter是jitter均方根或标准偏差，对于一个高斯分布，RMS值为BER 10-e12峰峰值1/14。 随机（高斯）jitter在自然界中是随机，它经典表现为一个高斯分布特点，RJ将伴随时间继续增加，这就是为何随机jitter被提及为极大原因。 RJ来自于哪里？ 象全部物理现象一样，发生在电子信号中边缘偏差将包含随机行为一些水平， 这些成份在自然界中是概率统计而且能够被一个高斯函数最好建模，随机jitter是极大，所以直接影响长久可靠性。 随机jitter来自于半导体晶体结构热震动，因为不规则涂料密度和加工不规则性，导体原子热震动和许多小贡献者（宇宙辐射等等），材料边界小于理想原子价

20、电子映射（valence electron mapping）。 眼图及信号完整性第33页眼图不良改进 经过通信系统基础了解及信号完整性不良原因认识，咱们对不良眼图因何造成不良及不良原因应该能够定位并分析出处理改进对策。 结合到客户应用（Host），系统各个步骤设计及匹配不合理都可能造成整个系统瘫痪奔溃。针对咱们产品光模块，对客户应用只是一个透明光/电，电/光转换盒。为了确保整个系统可靠工作，咱们模块设计指标必须眼图合格，余量大，满足标准要求。 所以，咱们不考虑系统其它原因影响，在模块范围内改进眼图。 用信号发生器发送标准信号，DCA上观察光眼图；经过标准光模块发送光信号，模块接收后在DCA上观

21、察电眼图。 咱们光眼图不良依据不良情况大致可分为两类：光电转换不良和硬件设计工作不良。 1）光电转换不良能够经过调整激光器工作参数（工作电流，赔偿等） 进行改进； 2）硬件设计工作不良，普通咱们经过阻抗匹配，端接，阻尼，RC延迟上升沿，去耦等等办法改进眼图。眼图及信号完整性第34页眼图不良改进光电转换不良改进：光电转换关系（IP曲线）眼图及信号完整性第35页眼图不良改进激光器等效模型眼图及信号完整性第36页眼图不良改进经典FP LD正向压降:1.2V 1.8V,直流电阻46欧姆，假设,2.5GHZ,引脚寄生电感1.5nH,最大MOD电流60mA下：则，20%80% Rise/Fall time

22、=80pS, 电流改变按60%估算=36mA,压降V=1.5nH*(36mA/80pS)=0.68V。假如，RD=20欧姆，则电阻上压降为：V=20*0.06=1.2V， 那么，整个压降=0.68+1.2+1.6（LD压降）=3.48V，供电电压3.3V所以，直流耦合大功率，高速比较困难。眼图及信号完整性第37页眼图不良改进交流耦合能够处理直流耦合缺点。一样条件，改交流耦合后，压降=60mA*5ohm+0.68V+(60mA/2)*20ohm=1.58V，所以，能够快速执行大电流开关动作。但，交流耦合增加元件数而且低频效果差！ 依据对激光器工作原理分析，光电转换不良主要表现为：消光比不良，交叉

23、点不良，高温眼图不良，低电压不良等等。这主要是因为激光器工作点配置不合理，高低温赔偿设置不合理，工作电阻匹配不合理造成压降过大或调制电流过大等等。详细问题能够经过分析调试得到改进。比如：右上图可能是Ibias电流设置太小，低于Ith，激光器未能完全打开。增加Ibias电流即可！眼图及信号完整性第38页眼图不良改进不良眼图：不良原因：Ibias太小，产生振荡。处理方法：加大Ibias，满足Ith要求。眼图及信号完整性第39页眼图不良改进硬件设计工作不良改进： 主要表现为双线，过冲，不对称，抖动大，眼图余量小。 就以下列图为例分析：眼图及信号完整性第40页眼图不良改进不良现象：不良表现：过冲；不良原因：上升沿太快；上拉磁珠品质因数Q过高。处理方法：1）加低通滤波器，让上升下降沿速度变慢降低过冲； 2）给磁珠并联电阻，减弱Q值； 3）调整阻尼电阻（RD）值。眼图及信号完整性第41页眼图不良改进不良眼图：不良现象：眼图下冲，上升/下降沿在半个周期内未能到达高低电平。不良原因：可能驱动输出信号被减弱