Hi。小杜作為PCIe數(shù)字驗證工程師，工作中接觸到了PCIe Compliance、Margin測試，這兩個測試都涉及到了高速信號"眼圖"的概念。本文小杜來介紹一下怎么看眼圖，從而理解Compliance、Margin測試到底在測什么。小杜經(jīng)驗尚淺，如有錯誤，還請批評指正。

什么是眼圖?

眼圖(Eye Diagram)是一種用于分析高速數(shù)字信號傳輸質(zhì)量的重要工具。通過在示波器上重疊多個周期的信號波形，生成一個形狀類似于眼睛的圖形，這就是眼圖。眼圖能夠直觀地展示信號的完整性、抖動和噪聲等關(guān)鍵參數(shù)。通過觀察眼圖的開口大小和形狀，工程師可以評估信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性，識別并解決潛在的信號完整性問題，從而確保高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路(如PCIe)的可靠性。

比如下圖就是PCIe NRZ眼圖和PAM-4眼圖。???

一般來說，眼圖張得越開，傳輸過程的誤碼率(BER, Bit Error Rate)也就越低。誤碼率非常重要，每位工程師都渴望誤碼率為0! 誤碼率：接受到的錯誤比特數(shù) / 總傳輸比特數(shù)

如何看眼圖?

眼圖分為X軸和Y軸，其中Y軸表示電壓幅度，X軸表示時間。相信看完本文你也能看懂X軸和Y軸的信息啦!??????????

不過在介紹下面內(nèi)容之前，需要了解單位間隔(UI)的概念。UI 定義為一個數(shù)據(jù)位寬，與數(shù)據(jù)速率無關(guān)。例如，在 9.8 Gbps 數(shù)據(jù)流中，一個 UI 相當(dāng)于 102 ps。對于 2.0 Gbps 數(shù)據(jù)流，一個 UI 相當(dāng)于 500 ps。一個眼圖一般會顯示2個UI，左側(cè)1/2UI展示半個眼圖，中間1個UI展示完整眼圖，右側(cè)1/2UI展示半個眼圖。好了，讓我們正式開始介紹眼圖的Y軸和X軸。

眼圖的電壓幅度(Y軸)

Y軸涉及到的主要概念包括："1"電平/"0"電平、眼圖幅度、高度以及眼圖交叉百分比。

- "1"電平(One Level)和"0"電平(Zero Level)

"1"電平為眼圖頂部中間20% UI(也稱為40%到60%區(qū)域)內(nèi)捕獲的所有數(shù)據(jù)樣本的直方圖平均值。同"1"電平，"0"電平是眼圖底部中間20%UI內(nèi)捕獲的所有數(shù)據(jù)樣本的直方圖平均值。

- 眼睛幅度和高度

眼圖幅度："1"電平和 "0"電平之間的差值。使用的計算值是所示兩個直方圖的平均值，在眼圖交叉的中間 20% 區(qū)域內(nèi)測量。

眼圖高度：通過計算"1"電平和"0"電平直方圖內(nèi)部3s點之間的差值。

- 眼圖交叉百分比

眼圖交叉百分比是相對于 1 和 0 電平的交叉點幅度的度量。它清楚地表明了系統(tǒng)數(shù)據(jù)脈沖對稱性的表現(xiàn)如何。

比如下圖，當(dāng)"1"和"0"電平對稱性變差，眼圖交叉百分比就會偏離50%。當(dāng)眼圖交叉對稱性值偏離是完美的50%時，眼睛大且對稱，從而降低誤碼率。

- 信噪比

信噪比(SNR, Signal-to-Noise Ratio)是衡量信號質(zhì)量的一個重要參數(shù)。它表示信號相對于噪聲的強(qiáng)度，信噪比越高，意味著信號質(zhì)量越好，噪聲對信號的影響越小。在眼圖中，信噪比可以定義為信號的有效電壓(通常是信號的峰峰值電壓)與噪聲電壓的比值。噪聲電壓是指在信號傳輸過程中疊加在信號上的不期望的電壓變化。

在眼圖中，垂直開口越大，表示信號電壓相對于噪聲電壓的差距越大，信噪比越高。眼圖中的噪聲帶寬越窄，表示噪聲電壓越小，信噪比越高。常見的噪聲源包括電源噪聲、環(huán)境電磁干擾、PCB布局等都會影響噪聲電壓。

下面這張圖展示一個信噪比很差的眼睛，可以看出下圖眼睛的眼皮非常”模糊“。

眼圖時間軸(X軸)

在眼圖中，X軸表示時間軸，是用于展示信號在不同時間點的變化情況。通過在示波器上重疊多個信號周期，時間軸上會顯示出一個周期內(nèi)所有可能的信號過渡情況。

- 抖動

抖動是指信號過渡時間(如上升沿或下降沿)的隨機(jī)或周期性變化。抖動會導(dǎo)致信號過渡點的不確定性和不穩(wěn)定性。抖動可以是由由隨機(jī)噪聲引起的隨機(jī)抖動，其呈高斯分布，也可以是由系統(tǒng)性的干擾或模式引起確定性抖動。抖動會縮小眼圖的水平開口，降低時間裕度，使接收端更難準(zhǔn)確采樣信號，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

- 上升時間和下降時間

上升時間是指信號從低電平過渡到高電平所需的時間，比如下圖中20%電壓值過渡到80%電壓值。上升時間過長會導(dǎo)致信號邊沿變得緩慢，可能導(dǎo)致碼間干擾(ISI)，影響信號的頻率響應(yīng)和系統(tǒng)的傳輸速度。同理下降時間。

- 眼寬

眼寬表示在一個比特周期內(nèi)，信號的穩(wěn)定時間窗口。具體來說，眼寬是在垂直軸上選定一個電壓閾值水平時，信號在水平軸上的時間開口。它反映了信號在給定電壓水平下的時間裕度(時間容忍度)。 眼寬越大，表示信號抖動越小，時間裕度越大。信號在接收端能夠穩(wěn)定采樣的時間窗口越寬，系統(tǒng)的可靠性和性能越好。較大的眼寬意味著接收端有更大的容錯時間，能夠在正確的時間點采樣到有效信號，從而降低誤碼率。同時，較大的眼寬表明信號對抖動和噪聲的敏感性較低，系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力。

- 占空比失真

占空比失真是指理想方波信號的高電平和低電平持續(xù)時間的不對稱性。理想情況下，高電平和低電平的時間應(yīng)相等，但由于各種原因，這種對稱性可能會被破壞。占空比失真會導(dǎo)致信號周期內(nèi)的時間分布不均，影響信號的采樣點，可能引起碼間干擾(ISI)，并增加接收端的誤碼率。當(dāng)眼圖交叉對稱值偏離理想的 0% DCD 值時，眼圖會閉合，從而降低 BER。

眼圖的應(yīng)用

掩膜合規(guī)性測試 (Mask Compliance Testing)??

眼圖 Mask Compliance 測試是高速信號傳輸中一種重要的驗證方法，用于評估信號是否符合特定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。通過對眼圖中的信號波形進(jìn)行分析，并將其與預(yù)定義的掩膜(mask)進(jìn)行比較，工程師可以確定信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性。

掩膜：一個在眼圖中定義的區(qū)域，通常由一系列直線和曲線組成，形成一個閉合的形狀。信號波形不應(yīng)侵入這個掩膜區(qū)域，否則視為不合格。 信號波形完全在掩膜區(qū)域外，表示信號質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，傳輸可靠性高。而如果信號波形侵入掩膜區(qū)域，表示信號質(zhì)量存在問題，可能需要優(yōu)化PCB布局、改進(jìn)信號完整性或調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。

掩膜裕度測試 (Mask Margin Test)

眼圖 Margin Test 是一種用于評估高速數(shù)字信號傳輸可靠性和性能的測試方法。通過這項測試，工程師能夠確定信號在不同條件下的容限(margin)，即在各種噪聲、抖動和其他干擾因素存在時，系統(tǒng)仍然能可靠傳輸數(shù)據(jù)的能力。PCIe制造商可以通過測試通過的裕度的多少來監(jiān)控和優(yōu)化其生產(chǎn)過程。

感謝你耐心地看到這里，PCIe物理層的Compliance測試和Margin測試就是對高速串行線的眼圖的測試，只有Compliance測試完美通過，Margin測試出的裕量滿足要求，才能有信心相信設(shè)備能夠很好的傳輸信息。小杜在此祝愿每個工程師都能得到一個完美的"眼睛"!