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    簡單辨別眼圖

    2018-02-14 12:14:57 波威編輯部 1579

    1、 眼圖的形成

    眼圖是一系列數字信號在示波器上累計而顯示的圖像,其形狀類似于人的眼睛,故稱“眼圖”。

    北京波威科技有限公司

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    在用示波器觀察傳輸的數據信號時,使用被測系統的定時信號,通過示波器外觸發或外同步對示波器的掃描進行控制,由于掃描周期此時恰為被測信號周期的整數倍,因此在示波器熒光屏上觀察到的就是一個由多個隨機符號波形共同形成的穩定圖形。這種圖形看起來象眼睛,稱為數字信號的眼圖。一個完整的眼圖應該包含“000”到“111”的所有狀態組,8種狀態形成眼圖的過程如下圖所示:

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    示波器一般測量的信號是一些位或某一時間段的波形,更多的反映的是細節信息,而眼圖是一系列數字信號在示波器上累積而顯示的圖形,它包含了豐富的信息,從眼圖上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響,體現了數字信號整體的特征,從而估計系統優劣程度,為整個系統性能的改善提供依據。

    2、 眼圖的結構和參數

    眼圖的參數有很多,如眼高、眼寬、眼幅度、眼交叉比、消光比、Q因子、平均功率等,各個參數如下圖所示:

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    “眼幅度”表示“1”電平信號分布與“0”電平信號分布平均數之差,其測量是通過在眼圖中央位置附近區域(通常為零點交叉時間之間距離的20%)分布振幅值進行的。

    “眼寬”反映信號的總抖動,即是眼圖在水平軸所開的大小,其定義為兩上緣與下緣交匯的點(Crossing Point)間的時間差。

    “眼高”即是眼圖在垂直軸所開的大小,它是信噪比測量,與眼圖振幅非常相似。

    下面詳細介紹如消光比等一些復雜的概念,以幫忙理解眼圖的性能。

    (1)     消光比

    消光比定義為眼圖中“1”電平比“ 0 ”電平的值。根據不同的速率、不同的傳輸距離、不同的激光器類型,消光比要求不一樣。一般的對于 FP/DFB 直調激光器要求消光比不小于 8.2dB 。EML 電吸收激光器消光比不小于 10dB 。ITU-T 中對于消光比沒有規定一個最大值,但是這并不意味著消光比可以無限大,消光比太高了,將導致激光器的啁啾系數太大,導致通道代價超標,不利于長距離傳輸。一般建議實際消光比與最低要求消光比大 0.5~1.5dB。這不是一個絕對的數值,之所以給出這么一個數值是害怕消光比太高了,傳輸以后信號劣化太厲害,導致誤碼產生或通道代價超標。

    (2)     眼交叉比

    交叉點就是兩只眼睛交叉的地方,它的比例反映了信號的占空比大小。由于傳輸過程中,光信號的脈沖寬度將會展寬,導致接收側的交叉點相對于發送側上移。為了有利于長距離傳輸,保證接收側的交叉點比例在大約 50%左右,使得接收側的靈敏度最佳,我們一般建議在發送側把交叉點的位置稍微下移一些 ,一般發送側交叉點比例建議控制在 40%~45%。

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    (3)     Q因子

    Q 因子可以通過示波器測得,它綜合反映出眼圖的質量問題。Q 因子越高越好,表明眼圖的質量越好。Q 因子一般受噪聲、光功率、電信號是否從始端到終端阻抗匹配(有關阻抗匹配,后文會詳細說明)等因素影響。一般來說,眼圖中“1”電平的這條線越細、越平滑,Q 因子越高。在不加光衰減的情況下,發送側光眼圖的 Q 因子不應該小于 12 ,越高越好。接收測的 Q 因子不應該小于 6 ,越高越好。

    (4)     信號的上升時間、下降時間

    信號的上升時間、下降時間反映了信號的上升、下降的快慢,一般指整個信號幅度的 20%~80%的變化的時間。一般要求其上升、下降時間不能大于信號的周期的 40%。如 9.95G 信號要求其上升、下降時間不大于 40ps。

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    (5)     抖動

    抖動是在高速數據傳輸線中導致誤碼的定時噪聲。如果系統的數據速率提高,在幾秒內測得的抖動幅度會大體不變,但在位周期的幾分之一時間內測量時,它會隨著數據速率成比例提高,進而導致誤碼。因此,在系統中盡可能的減少這種相關抖動,提升系統總體性能。分析抖動以及其具體產生原因將有助于在系統設計時盡可能的減少抖動產生的影響,同時可以確定抖動對BER的影響,并保證系統BER低于某個最大值。因此,抖動的形成原因直觀的表示如下圖:

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    (6)     信噪比

    信噪比同樣可以定性反映信號的質量好壞,做為一個比較參考。這個測量值是越大越好,一般在發送側的測量值都大于 30dB。定量地測量需要使用光譜分析儀。

     

    3、 眼圖與系統性能

    經過研究和實驗可以從眼圖中得出整體系統的性能情況,這里我們結合眼圖框架給出下面的結論。

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    眼圖的結構圖

    (1)最佳抽樣時刻應是“眼睛”張開最大的時刻;

    (2)眼圖斜邊的斜率決定了系統對抽樣定時誤差的靈敏程度;斜率越大,對定 時誤差越靈敏;

    (3)眼圖的陰影區的垂直高度表示信號的畸變范圍;

    (4)眼圖中央的橫軸位置對應于判決門限電平;

    5)過零點失真為壓在橫軸上的陰影長度,有些接收機的定時標準是由經過判 決門限點的平均位置決定的,所以過零點失真越大,對定時標準的提取越不利。

    (6)抽樣時刻上、下兩陰影區的間隔距離之半為噪聲容限,噪聲瞬時值超過它 就可能發生錯誤判決。

     

    4、 眼圖與誤碼率

    在數字電路系統中,發送端發送出多個比特的數據,由于多種因素的影響,接收端可能會接收到一些錯誤的比特(即誤碼)。錯誤的比特數與總的比特數之比稱為誤碼率,即Bit Error Ratio,簡稱BER。誤碼率是描述數字電路系統性能的最重要的參數。在GHz比特率的通信電路系統中(比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA),通常要求BER小于或等于10-12。誤碼率較大時,通信系統的效率低、性能不穩定。影響誤碼率的因素包括抖動、噪聲、信道的損耗、信號的比特率等。

    在誤碼率(BER)的測試中,碼型發生器會生成數十億個數據比特,并將這些數據比特發送給輸入設備,然后在輸出端接收這些數據比特。然后,誤碼分析儀將接收到的數據與發送的原始數據一位一位進行對比,確定哪些碼接收錯誤,隨后會給出一段時間內內計算得到的BER??紤]誤碼率測試的需要,我們以下面的實際測試眼圖為參考,以生成BER圖,參考眼圖如下所示:

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    BER圖是樣點時間位置BER(t)的函數,稱為BERT掃描圖或浴缸曲線。簡而言之,它是在相對于參考時鐘給定的額定取樣時間的不同時間t上測得的BER。參考時鐘可以是信號發射機時鐘,也可以是從接收的信號中恢復的時鐘,具體取決于測試的系統。以上述的眼圖為參考,眼睛張開度與誤碼率的關系以及其BER圖如下:

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    圖 眼睛張開度與誤碼率的關系

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    圖 BER(T)掃描或浴缸曲線

    上述兩圖中,BER圖與眼圖時間軸相同,兩側與眼圖邊沿相對應,樣點位于中心。BER一定時,曲線之間的距離是該BER上的眼圖張開程度。在樣點接近交點時,抖動會導致BER提高到最大0.5。

    5、 常見眼圖分析

    接下來我們來看一些典型的較好的眼圖和一些有問題的眼圖,并分析這些眼圖的問題在哪里。

    以下是一個較好的 622M 的光眼圖,我們可以看出比較對稱,眼線很細,消光 比適中,Q 因子很高,達到了 24。

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    以下為不加 STM-4 濾波器的 622 的眼圖,可以看出眼圖的眼線較細,特別是 上升、下降沿,“1”電平有點波動,這是因為不加低通濾波器以后,信號的諧波沒有被濾掉,各諧波分量疊加起來成為有波紋的方波。我們看到即使“1”電平不平坦,其 Q 因子仍然達到 21.7。

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    以下為一個較好的 2.5G 的,眼圖比較對稱,眼線比較細,“0”、“1”電平都 比較平滑,消光比適中,Q 因子較高。


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    以下為較好的 10G 眼圖,眼圖對稱,眼圖比較細,特別是“0”、“1”電平; 上升、下降沿稍粗一點,可見信號的抖動較大;消光比適中,Q 因子較高。交叉 點稍微高,實際調試中,可以將交叉點調低一點點。

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    總的來說,速率越高,眼圖質量將越差。這主要由兩個方面引起:第一是抖動,速率越高,抖動越難控制;第二是噪聲,由于測試過程一般都要加相應的低 通濾波器,10G 信號的低通濾波器的帶寬大約為 8GHz,622M 信號的低通濾波器的 帶寬大約為 500MHz,從500MHz~8GHz 這個頻率范圍的噪聲,被 622M 信號的濾波 器濾掉了,卻沒有被 10G 信號的濾波器濾掉,所以從眼圖看了,10G 信號的噪聲 更大一下。


    有問題的眼圖分析

    以下為一個有問題的 622M 眼圖,這個眼圖問題比較多,我們來一一分析: 首先,眼圖有非常明顯的兩個上升、下降沿(俗稱雙眼皮);“0” 電平“1”

    電平不平坦,信號有過沖,下沖;消光比偏低只有 4.1dB ;產生這些現象的原因 懷疑是信號的阻抗不匹配,導致信號的過沖、下沖和多徑。這個眼圖還說明了另 一個問題,眼圖要能夠套住模板只是眼圖的最基本的要求,而不是唯一的要求。 我們看一下,這個眼圖的邊的離模板還是有一定的余量的。

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    我們再來看看以下 622M 眼圖,其問題在于噪聲非常大,估計是信號的濾波沒有處理好。


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    以下為 2.5G 眼圖,總的質量還不錯,存在的問題是眼圖有點歪,不對稱,這個跟激光器的調制特性有一定的關系。

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    以下 2.5G 眼圖,存在的問題是抖動較大,注意與上一個眼圖比較,其上升、 下降沿都較粗,特別注意比較其峰峰值抖動、均方根抖動、下圖都比上圖的大。

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    以下 2.5G 的眼圖就比較糟糕,眼圖扭來扭去的,上升、下降都很緩,信號質 量不好,Q 因子只有 6.4。消光比也很低,只有 6.6dB。其原因可能是驅動器、激 光器本身問題、或者阻抗非常不匹配。

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    以下一個為 2.5G 眼圖,可以明顯看出眼圖的上升沿有振鈴,可能兩個原因引 起的:第一是信號線上面阻抗不匹配;第二是直調激光器的張馳振蕩引起的振鈴。

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    以下為 10G 眼圖,眼圖存在兩個問題,第一消光比太低,只有 10dB。眼圖“1”電平很粗、不平坦??赡艿脑蚴牵盒盘柌黄ヅ湟鸬?。

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    以下 10G 眼圖沒有其測量數據,但是從眼圖的上升、下降沿比較粗可以看出 來,其信號的抖動比較大。

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    以下為 10G 眼圖,這個眼圖的問題是噪聲比較大,這從哪里看出來呢? 請注 意,眼圖的上升、下降、“1”電平都比較粗,整個眼圖散點比較多,很不干凈。

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    以上三個眼圖我們分析了導致眼圖不好的三種情況:阻抗不匹配、抖動、噪聲。這三種情況如何從眼圖看出來呢?如果眼圖的“1”電平線比較粗、不平坦(上面),那么就是阻抗不匹配引起的。解決問題要從保證從始端到終端阻抗匹配。如果眼圖的上升、下降沿比較粗(中間),那么就是抖動引起的,解決問題要從減小信號抖動,如:提高輸入時鐘質量,合理設計鎖相環,特別是低通濾波器部分著手。如果眼圖的都比較粗(全部),那么就是噪聲引起的,一般來說是電源噪聲、地回路不通暢或者信號周圍有大的干擾源引起的,解決問題也是要從這幾方面著手。

    對于眼圖,不能以一把尺子來衡量,速率越高,眼圖質量越難保證;目標傳輸距離越遠,要求的眼圖質量也好;同時有數據、時鐘輸入的光模塊比只有數據輸入的光模塊的眼圖質量會更好一些,特別在抖動方面。


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