講座題目：眼圖及信號完整性講座日期：2012-05-19眼圖及信號完整性講座內容一般通信系統基本模型眼圖定義眼圖和通信質量的關系眼圖不良原因分析眼圖不良改善信號完整性設計結語眼圖及信號完整性一般通信系統基本模型通信系統基本框圖眼圖及信號完整性一般通信系統基本模型簡單解釋：PAM信號：（PulseAmplitudeModulation）脈沖調幅信號。就是利用抽樣脈沖把一個連續信號變為離散時間樣值的過程稱為抽樣，抽樣后的信號稱為脈沖調幅（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出原始信號。眼圖及信號完整性一般通信系統基本模型PCM編碼：（PulseCodeModulation）脈沖編碼調制。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信號進行歸類，這就是量化。量化后的信號進行編碼，編碼是一種人為規定的過程，比如我們規定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制信號有了一種對應關系，順著這種對應關系，我們可以得到剛才量化了的信號的二進制代碼，這就是PCM編碼，可以在存儲器中存儲的數字信號。以上從模擬到數字信號的轉變就是我們常說的A/D轉換。至于我們平時要求的轉換比特率的求法可以從它的轉換過程得出計算方法。一個PAM信號對應一個檔次，而一個檔次對應幾個比特的數

眼圖及信號完整性一般通信系統基本模型

字是在編碼中體現的，例子中就是一個檔次對應兩個比特，假如這種對應關系為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信號就要被轉換成F*N個比特，所以比特率就是F*N了。對于完成轉換的數字信號，我們如何處理呢？有的是被放進存儲器中存儲了，有的是到CPU中進行計算，加密等處理了。通常為了達到通信的目的，我們就要將數字信號傳遞并且轉換成模擬信號，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字信號，這些數字信號是基帶信號，不容易傳輸。經過數字調制系統就可以轉換成高頻信號而被發送設備以各種形式比如微波，光信號傳輸出去。眼圖及信號完整性一般通信系統基本模型

接收設備將這些信號轉換成電信號，通過解調器，就可以還原基帶信號，同樣可以將它們放進存儲器存儲。這可以理解成網絡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字信號轉換成各種量化的臺階信號。最后將臺階信號進行填補恢復，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字化，那么我們可以進行模擬調制，同樣可以發送出去，這個過程要簡單些。眼圖及信號完整性眼圖定義中文名稱：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傳輸特性好；“眼”小表示系統中存在符號間干擾。所屬學科：通信科技（一級學科）；通信原理與基本技術（二級學科）

眼圖及信號完整性眼圖定義眼圖及信號完整性眼圖和通信質量的關系概念

眼圖是指利用實驗的方法估計和改善（通過調整）傳輸系統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擾和噪聲的影響，從而估計系統優劣程度。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾和改善系統的傳輸性能。

眼圖及信號完整性眼圖和通信質量的關系眼圖的成因：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。碼間串擾：眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串擾的強弱?！把劬Α睆埖脑酱?，且眼圖越端正，表示碼間串擾越??；反之表示碼間串擾越大。當存在噪聲時，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。若同時存在碼間串擾，“眼睛”將張開得更小。與無碼間串擾時的眼圖相比，原來清晰端正的細線跡，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；碼間串擾越大，眼圖越不端正。眼圖及信號完整性眼圖和通信質量的關系

眼圖對于展示數字信號傳輸系統的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串擾的大小和噪聲的強弱，有助于直觀地了解碼間串擾和噪聲的影響，評價一個基帶系統的性能優劣；可以指示接收濾波器的調整，以減小碼間串擾。（1）最佳抽樣時刻應在“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的垂直高度，表示最大信號畸變。（4）眼圖中央的橫軸位置應對應判決門限電平。（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電平的噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就可能發生錯誤判決。眼圖及信號完整性眼圖和通信質量的關系（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，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區域的大小，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，通信系統的信號質量可以通過眼圖很直觀分析判斷，為系統不良點分析，定位及改善提供依據。觀察和判斷一個產品眼圖是否合格的能力是設計工程師必備能力。眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析合格眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析不良眼圖：眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析

以上眼圖不合格反應到通信系統就是信號完整性不良，信號的完整性是由產生，傳輸，處理等各個環節的配合決定的。在系統出問題時，如果可以判定為硬件故障，可以通過對每個重要傳輸環節的信號眼圖采集分析，定位問題點，從而達到修復維護。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量。信號具有良好的信號完整性是指當在需要的時

候，具有所必需達到的電壓電平數值。差的信號完整性不是由某一單一因素導致的，而是板

級設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、串擾等。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。

眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析

信號功率(電壓和電流)的一部分傳輸到線上并達到負載

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

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

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

不正確的線端接、經過連接器的傳輸及電源平面的不連續等因素的變化均會導致此類反射。什么是串擾(crosstalk)

串擾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

發耦合電流，而感性耦合引發耦合電壓。PCB

板層的參數、信號線間距、驅動端和接收端的

電氣特性及線端接方式對串擾都有一定的影響。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。眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析

過分的過沖能夠引起保護二極管工作，導致過早

地失效。過分的下沖能夠引起假的時鐘或數據錯誤。

什么是振蕩(ringing)和

環繞振蕩（rounding）振蕩的現象是反復出現過沖和下沖。信號的振蕩和環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而環繞振蕩屬于過阻尼狀態。信號完整性問題通常發生在周期信號

中，如時鐘等，振蕩和環繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過適當的端

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

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

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

關器件數目的增加均會導致地彈的增大。

眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析

由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層

被分割為數字地、模擬地、屏蔽地等，當數字信號走到模擬地線區域時，就會產生地平面回

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

設計中，地

電平面的反彈噪聲和回流噪聲需要特別關心。

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(有時在VIL

或VIH之間)。通

常由于過分的下沖(undershoot)或串擾(crosstalk)引起。

眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析

信號完整性不良，表現在眼圖上為抖動大（JITTER），眼皮厚，雙眼皮，眼圖不對稱（眼圖余量小），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）和光學系統的標稱接收門限功率電平。Jitter是由確定性內容和高斯（隨機）內容組成的。

眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析

Jitter一般歸納為：完全無規律的隨機jitter（radeomjitter）和某些特定事情有關系jitter（correlatedjitter），下面我們進行深入了解。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的Jitter，確定性jitter總是在幅度上跳躍的并在特定的原因下發生，四種確定性jitter被定義：占空比失真jitter、數據從屬jitter、正弦jitter和不相關（對數據）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，數據信號也容易受DCD和PJ的影響，還易受符號間干擾（ISI）和數據從屬Jitter（DDJ）的影響。不管采樣尺寸如何改變，只要充足的數據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。眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析

DJ來自于哪里?

DJ是典型的由串擾、EMI、同步開關輸出（SSO）、設備功能從屬和其它有規律發生的干擾信號引起的。1）串擾：當一根受影響的線（一個電路板上的一根走線或一個電纜中的2根鄰近的線）被一根驅動線上產生的磁場影響時，串擾發生。受影響的導體的感應系數的增加將使感應磁場轉換為感應電流，感應電流的累加（正極或負極）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：開關電源、AC電源線、RF信號源等等

。

EMI磁場影響與串擾產生的jitter非常相似，在串擾情況下，一個磁場將感應出一個感應電流，該感應電流（正極或負極）將使被影響的線上的電流增加，因此在被影響的線上產生jitter。眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析3）噪聲參考平面當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的這種形式發生。這個改變與輸入信號的回轉率成比例，當Vt在門上被超過，輸出晶體管將導通。當地參考平面在Vt有一個改變時，這個電壓的改變將導致門的開關的超前或滯后，由此產生的時間誤差引起jitter。4）同步開關輸出（SSO）

如果幾個輸出管腳轉換到同一個狀態，將在Vcc和GND平面上感應出一個電流尖峰。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，這被認為是DJ。眼圖及信號完整性眼圖不良原因分析RMSJitter（RMSJ）或隨機Jitter（RJ）定義

該Jitter的特性表現為一個高斯分布，隨機jitter被定義為峰峰值，該值為一比特誤差率（BER）10-e12的高斯分布的標準偏差的14倍。RMSjitter是jitter的均方根或標準偏差，對于一個高斯分布，RMS值為BER10-e12的峰峰值的1/14。隨機（高斯）jitter在自然界中是隨機的，它典型的表現為一個高斯分布的特點，RJ將隨著時間繼續的增加，這就是為什么隨機jitter被提及為極大的原因。

RJ來自于哪里？

象所有的物理現象一樣，發生在電子信號中的邊緣偏差將包括隨機行為的一些水平，這些成分在自然界中是概率統計的并且可以被一個高斯函數最好的建模，隨機jitter是極大的，因此直接的影響長期的可靠性。隨機jitter來自于半導體晶體結構的熱震動，由于不規則涂料密度和加工的不規則性，導體原子的熱震動和許多小的貢獻者（宇宙輻射等等），材料邊界小于理想的原子價電子映射（valenceelectronmapping）。眼圖及信號完整性眼圖不良改善

通過通信系統的基本了解及信號完整性不良因素的認識，我們對不良眼圖因何導致不良及不良原因應該可以定位并分析出解決改善的對策。結合到客戶應用（Host），系統的各個環節設計及匹配不合理都可能造成整個系統癱瘓奔潰。針對我們的產品—光模塊，對客戶應用只是一個透明的光/電，電/光轉換盒。為了保證整個系統的可靠工作，我們的模塊設計指標必須眼圖合格，余量大，滿足標準要求。所以，我們不考慮系統其它因素影響，在模塊范圍內改善眼圖。用信號發生器發送標準信號，DCA上觀察光眼圖；通過標準光模塊發送光信號，模塊接收后在DCA上觀察電眼圖。

我們的光眼圖不良根據不良情況大致可分為兩類：光電轉換不良和硬件設計工作不良。

1）光電轉換不良可以通過調整激光器的工作參數（工作電流，補償等）進行改善；

2）硬件設計工作不良，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。眼圖及信號完整性眼圖不良改善光電轉換不良改善：光電轉換關系（IP曲線）眼圖及信號完整性眼圖不良改善激光器等效模型眼圖及信號完整性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,@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。眼圖及信號完整性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，可以快速執行大電流開關動作。但，交流耦合增加元件數并且低頻效果差！根據對激光器工作原理的分析，光電轉換不良主要表現為：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，高低溫補償設置不合理，工作電阻匹配不合理導致壓降過大或調制電流過大等等。具體問題可以通過分析調試得到改善。例如：右上圖可能是Ibias電流設置太小，低于Ith，激光器未能完全打開。增加Ibias電流即可！眼圖及信號完整性眼圖不良改善不良眼圖：不良原因：Ibias太小，產生振蕩。解決辦法：加大Ibias，滿足Ith要求。眼圖及信號完整性眼圖不良改善硬件設計工作不良改善：主要表現為雙線，過沖，不對稱，抖動大，眼圖余量小。就以下圖為例分析：眼圖及信號完整性眼圖不良改善不良現象：不良表現：過沖；不良原因：上升沿太快；上拉磁珠的品質因數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）給磁珠并聯電阻，削弱Q值；

3）調整阻尼電阻（RD）值。眼圖及信號完整性眼圖不良改善不良眼圖：不良現象：眼圖下沖，上升/下降沿在半個周期內未能達到高低電平。不良原因：可能驅動輸出信號被削弱，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+上的負載電容；

3）減小串聯阻尼電阻。眼圖及信號完整性眼圖不良改善不良眼圖：不良現象：上