眼图及信号完整性

讲座题目：眼图及信号完整性讲座日期：2012-05-19讲座内容•一般通信系统基本模型•眼图定义•眼图和通信质量的关系•眼图不良原因分析•眼图不良改善•信号完整性设计•结语一般通信系统基本模型•通信系统基本框图一般通信系统基本模型•简单解释：•PAM信号：（PulseAmplitudeModulation）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的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。在满足抽样定理条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真的恢复出原始信号。一般通信系统基本模型•PCM编码：（PulseCodeModulation）脉冲编码调制。日常生活中的信号是模拟的，我们把这些信号通过滤波等处理，得到带限的信号，以基带信号Singnal为例子。Singnal经过采样保持电路，我们就得到PAM信号，这样信号就是离散信号了。离散信号经过量化归属到各个档次的幅度中，比如我们有2V，4V，6V，8V四个档次的归类，并且规定1V~3V之间的PAM离散信号就归类到2V的档次中去，依次类推，通过比较给每个PAM信号进行归类，这就是量化。量化后的信号进行编码，编码是一种人为规定的过程，比如我们规定2V用00表示，4V用01表示，6V用10表示，而8V用11表示。这样就把阶梯信号和二进制信号有了一种对应关系，顺着这种对应关系，我们可以得到刚才量化了的信号的二进制代码，这就是PCM编码，可以在存储器中存储的数字信号。以上从模拟到数字信号的转变就是我们常说的A/D转换。至于我们平时要求的转换比特率的求法可以从它的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的数一般通信系统基本模型字是在编码中体现的，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，对模拟信号的采样率是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。对于完成转换的数字信号，我们如何处理呢？有的是被放进存储器中存储了，有的是到CPU中进行计算，加密等处理了。通常为了达到通信的目的，我们就要将数字信号传递并且转换成模拟信号，因为生活中模拟信号才是我们可以直接使用的。所以我们从存储器中读取数字信号，这些数字信号是基带信号，不容易传输。经过数字调制系统就可以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。一般通信系统基本模型接收设备将这些信号转换成电信号，通过解调器，就可以还原基带信号，同样可以将它们放进存储器存储。这可以理解成网络视频在我们的电脑上的缓存，缓存中的信号通过解码就可将数字信号转换成各种量化的台阶信号。最后将台阶信号进行填补恢复，我们就有可以得到原来的输入的模拟波形了，由此我们就完成了一次通信。如果模拟信号不需要数字化，那么我们可以进行模拟调制，同样可以发送出去，这个过程要简单些。眼图定义•中文名称：眼图•英文名称：eyediagram;eyepattern•定义：示波器屏幕上所显示的数字通信符号,由许多波形部分重叠形成，其形状类似“眼”的图形。“眼”大表示系统传输特性好；“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）；通信原理与基本技术（二级学科）眼图定义眼图和通信质量的关系•概念眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，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的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。眼图和通信质量的关系眼图的成因：由于示波器的余辉作用，扫描所得的每一个码元波形将重叠在一起，从而形成眼图。码间串扰：眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼睛”张的越大，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，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰，“眼睛”将张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。眼图和通信质量的关系眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。（1）最佳抽样时刻应在“眼睛”张开最大的时刻。（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。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区的垂直高度，表示最大信号畸变。（4）眼图中央的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的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。眼图和通信质量的关系（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。因此，通信系统的信号质量可以通过眼图很直观分析判断，为系统不良点分析，定位及改善提供依据。观察和判断一个产品眼图是否合格的能力是设计工程师必备能力。眼图不良原因分析合格眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：眼图不良原因分析不良眼图：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，信号的完整性是由产生，传输，处理等各个环节的配合决定的。在系统出问题时，如果可以判定为硬件故障，可以通过对每个重要传输环节的信号眼图采集分析，定位问题点，从而达到修复维护。那么要分析眼图不良，我们首先要了解影响信号完整性的因素。什么是信号完整性(signalintegrity)信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及解决方法什么是反射(reflection)反射就是在传输线上的回波。眼图不良原因分析信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。什么是串扰(crosstalk)串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。什么是过冲(overshoot)和下冲(undershoot)过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——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。眼图不良原因分析过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。什么是振荡(ringing)和环绕振荡（rounding）振荡的现象是反复出现过冲和下冲。信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起，振荡属于欠阻尼状态而环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，振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振荡可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。什么是地电平面反弹噪声和回流噪声在电路中有大的电流涌动时会引起地平面反弹噪声（简称为地弹），如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面（0V）上产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。眼图不良原因分析由于地电平面（包括电源和地）分割，例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。同样电源层也可能会被分割为2.5V，3.3V，5V等。所以在多电压PCB设计中，地电平面的反弹噪声和回流噪声需要特别关心。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)。通常由于过分的下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引起。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。所有不良中JITTER是比较普遍的，所以我们重点分析一下JITTER不良原因。所谓jitter就是一种抖动。Jitter是来自与一个事件的理想时间的偏差，参考事件是电子事件的微分零点交叉口（differentialzerocrossing）和光学系统的标称接收门限功率电平。Jitter是由确定性内容和高斯（随机）内容组成的。眼图不良原因分析Jitter一般归纳为：完全无规律的随机jitter（radeomjitter）和某些特定事情有关系jitter（correlatedjitter），下面我们进行深入了解。确定性Jitter（DJ）定义确定性Jitter是具有一个非高斯概率密度函数的Jitter，确定性jitter总是在幅度上跳跃的并在特定的原因下发生，四种确定性jitter被定义：占空比失真jitter、数据从属jitter、正弦jitter和不相关（对数据）跳跃jitter，DJ的特性由它的跳跃和峰峰值决定。DJ的形式有几种，时钟信号是典型的易受占空比失真（DCD）和周期Jitter（PJ）的影响的，数据信号也容易受DCD和PJ的影响，还易受符号间干扰（ISI）和数据从属Jitter（DDJ）的影响。不管采样尺寸如何改变，只要充足的数据点被采集以完成每个周期元素的至少一个完全的周期，那么DJ的总量将保持不变。眼图不良原因分析DJ来自于哪里?DJ是典型的由串扰、EMI、同步开关输出（SSO）、设备功能从属和其它有规律发生的干扰信号引起的。1）串扰：当一根受影响的线（一个电路板上的一根走线或一个电缆中的2根邻近的线）被一根驱动线上产生的磁场影响时，串扰发生。受影响的导体的感应系数的增加将使感应磁场转换为感应电流，感应电流的累加（正极或负极）将使被影响的线的电流逐渐增加或电压逐渐减小，电压的逐渐减小将在被影响的线上引起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的jitter非常相似，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）将使被影响的线上的电流增加，因此在被影响的线上产生jitter。眼图不良原因分析3）噪声参考平面当电源平面的噪声引起下游逻辑门的门限电压的参考改变时，DJ的这种形式发生。这个改变与输入信号的回转率成比例，当Vt在门上被超过，输出晶体管将导通。当地参考平面在Vt有一个改变时，这个电压的改变将导致门的开关的超前或滞后，由此产生的时间误差引起jitter。4）同步开关输出（SSO）如果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。这些尖峰电流可以引起门限电压判断点的改变，由于模式的敏感性和由于SSO造