信號完整性分析基礎(chǔ)系列之二 ——關(guān)于眼圖測量（下）
汪進進 美國力科公司深圳代表處 三、眼圖測量方法
之前談到，眼圖測量方法有兩種：2002年以前的傳統(tǒng)眼圖測量方法和2002年之后力科發(fā)明的現(xiàn)代眼圖測量方法。傳統(tǒng)眼圖測量方法可以用兩個英文關(guān)鍵詞來表示：“Triggered Eye”和“Single-Bit Eye”。 現(xiàn)代眼圖測量方法用另外兩個英文關(guān)鍵詞來表示：“Continuous-Bit Eye ”和“Single-Shot Eye”。 傳統(tǒng)眼圖測量方法用中文來理解是八個字：“同步觸發(fā)+疊加顯示”，現(xiàn)代眼圖測量方法用中文來理解也是八個字：“同步切割+疊加顯示”。 兩種方法的差別就四個字：傳統(tǒng)的是用觸發(fā)的方法，現(xiàn)代的是用切割的方法?！巴健笔菧蚀_測量眼圖的關(guān)鍵，傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法同步的方法是不一樣的。“疊加顯示” 就是用模擬余輝的方法不斷累積顯示。
傳統(tǒng)的眼圖方法就是同步觸發(fā)一次，然后疊加一次。每觸發(fā)一次，眼圖上增加了一個UI，每個UI的數(shù)據(jù)是相對于觸發(fā)點排列的，因此是“Single-Bit Eye”,每觸發(fā)一次眼圖上只增加了一個比特位。圖一形象表示了這種方法形成眼圖的過程。
圖一 傳統(tǒng)眼圖測量方法的原理
傳統(tǒng)方法的第一個缺點就是效率太低。對于現(xiàn)在的高速信號如PCI-Express Gen2，PCI-SIG要求測量1百萬個UI的眼圖，用傳統(tǒng)方法就需要觸發(fā)1百萬次，這可能需要幾個小時才能測量完。第二個缺點是，由于每次觸發(fā)只能疊加一個UI,形成1百萬個UI的眼圖就需要觸發(fā)1百萬次，這樣不斷觸發(fā)的過程中必然將示波器本身的觸發(fā)抖動也引入到了眼圖上。對于2.5GBbps以上的高速信號，這種觸發(fā)抖動是不可忽略的。
如何同步觸發(fā)，也就是說如何使每個UI的數(shù)據(jù)相對于觸發(fā)點排列？也有兩種方法，一種方法是在被測電路板上找到和串行數(shù)據(jù)同步的時鐘，將此時鐘引到示波器作為觸發(fā)源，時鐘的邊沿作為觸發(fā)的條件。另外一種方法是將被測的串行信號同時輸入到示波器的輸入通道和硬件時鐘恢復(fù)電路(CDR)通道，硬件CDR恢復(fù)出串行數(shù)據(jù)里內(nèi)嵌的時鐘作為觸發(fā)源。 這種同步方法引入了CDR抖動，這是傳統(tǒng)方法的第三個缺點。 此外，硬件CDR只能偵測連續(xù)串行信號才能工作正常，如果被測信號不是連續(xù)的，譬如兩段連續(xù)比特位之間有一段低電平，硬件CDR就不能恢復(fù)出正確的時鐘。另外，傳統(tǒng)方法的工作原理決定了它不能對間歇性的串行信號做眼圖，不能對保存的波形做眼圖，不能對運算后的波形做眼圖，這限制了應(yīng)用范圍。 這是傳統(tǒng)方法的第四個缺點。
力科于2002年發(fā)明的現(xiàn)代方法形成眼圖的原理如圖二所示。 示波器首先捕獲一組連續(xù)比特位的信號，然后用軟件PLL方法恢復(fù)出時鐘，最后利用恢復(fù)出的時鐘和捕獲到的信號按比特位切割，切割一次，疊加一次，最終將捕獲到的一組數(shù)據(jù)的每個比特位都疊加到了眼圖上。在力科的示波器中，恢復(fù)出的時鐘可以單獨輸出來另作它用。
軟件PLL方法恢復(fù)時鐘代替了傳統(tǒng)方法中的硬件CDR方法是一大進步。我們需要對軟件PLL的工作原理深入理解。關(guān)于軟件PLL，我們將另文介紹。
如果一次捕獲了1百萬UI的PCI-E Gen2的數(shù)據(jù)，那么用這種方法基于力科的第四代示波器可以在1-2秒內(nèi)形成眼圖，因此，這種方法形成眼圖的效率非常高，這是現(xiàn)代方法的第一個優(yōu)點。此外，該方法通過觸發(fā)一次捕獲的大量數(shù)據(jù)就能形成大量數(shù)據(jù)的眼圖，觸發(fā)抖動約等于零，這是該方法的第二個優(yōu)點。由于是用軟件PLL方法，因此時鐘恢復(fù)抖動也為零，這是該方法的第三個優(yōu)點。該方法可以對局部放大之后的波形做眼圖，可以對歷史保存的波形做眼圖，可以有一些高級眼圖分析功能，如眼圖失敗定位跟蹤功能，ISOBer功能等，這是該方法的第四個優(yōu)點。
圖二 現(xiàn)代眼圖測量方法的原理
圖三所示清楚表示了現(xiàn)代方法對于非連續(xù)性的信號做眼圖的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的方法無法分離出發(fā)射數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，但用現(xiàn)代的方法則能隔離出發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。 在實際應(yīng)用中這種非連續(xù)性的信號比較常見，如處于實際工作模式下的PON信號，就是突發(fā)的一幀一幀的數(shù)據(jù)。
圖三 現(xiàn)代眼圖方法的優(yōu)勢——對局部放大之后的波形做眼圖
四、力科示波器在眼圖測量方面的特點和優(yōu)勢
自2002年力科發(fā)明創(chuàng)新的眼圖測量方法以來,力科一直在眼圖測量方面保持了
絕對領(lǐng)先優(yōu)勢。 力科的串行數(shù)據(jù)分析儀SDA系列成為測量眼圖的首選工具?，F(xiàn)在總結(jié)力科公司在眼圖測量方面的特點和優(yōu)勢如下：
1，眼圖測量是衡量高速信號質(zhì)量的最常用方法。力科是業(yè)界最先采用軟件恢復(fù)時種的方法來形成眼圖的，而現(xiàn)在這種方法已成為眼圖測量的行業(yè)標準。也就是說，力科定義了眼圖測量的新標準。
前面已詳細比較了兩種方法的優(yōu)缺點。下面這張圖片是用力科示波器和其它品牌示波器測試相同信號的對比。用傳統(tǒng)方法引入的觸發(fā)抖動和CDR抖動帶來了150ps的峰-峰值誤差,這是不能忽略的誤差。在力科的示波器中保留了用硬件時鐘形成圖的功能，但已幾乎沒有工程師再喜歡用這種傳統(tǒng)的方法了。
圖四 現(xiàn)代方法和傳統(tǒng)方法測量眼圖的差別
2,力科示波器的眼圖測量操作界面非常的簡潔快速, 而且不需要利用第三方面軟件，眼圖的測試結(jié)果顯示在示波器顯示界面上，不需要打開第三個窗口。
在關(guān)于示波器的第三方調(diào)查報告中，易于操作常作為使用者對理想示波器的期待的首項。 “Although ease-of-use means different things to different people.”,但稍微有一點點公正之心的人都會同意這個結(jié)論：力科示波器的操作界面是最清晰簡潔的，最容易上手的，眼圖測量更是最方便的。
圖五是力科SDA操作界面。 一級菜單，一目了然的操作步驟。第一步點擊選擇信號源，第二步選擇信號類型，第三步查找比特率，第四步點擊眼圖出來了。如果PLL不是Golden PLL，多一次點擊PLL設(shè)置的操作。 第一步、第二步、第三步在第一次進入測試界面設(shè)置完成后，隨后不用再重復(fù)設(shè)置。所以在持續(xù)測試過程中，通常每次只需要點一鍵“Mask Tes”就產(chǎn)生了眼圖。更是可以在點擊“Summary”之后，同時產(chǎn)生了眼圖、浴盆曲線、抖動趨勢圖、抖動直方圖、各種抖動測量參數(shù)等,如圖六所示。何其方便哉！
圖五 力科SDA 眼圖測試操作步驟
在一次面對面的PK中，客戶要求同時測量眼圖和抖動參數(shù)，我們一秒鐘操作完之后，大家開始觀看T公司的AE在操作，只見鼠標飛速點擊上百次，結(jié)果等了整整幾分鐘后還不見結(jié)果出來（也有可能那天是操作上出現(xiàn)了失誤）。
一級又一級深埋的菜單，呼啦啦彈出一個又一個的窗口。圖七就是那次PK的時候D公司點擊上百次鼠標之后的結(jié)果。但顯然和力科的圖片相比，缺少了抖動測量參數(shù)。 這些參數(shù)去哪里了？為什么沒有顯示出來？因為D公司的示波器測試眼圖的窗口和眼圖參數(shù)的窗口是兩個窗口，不能同時保存起來，除非是接上鍵盤按PrintScreen鍵。
為了完成眼圖測量，D公司的示波器總共需要有四個窗口——操作設(shè)置窗口，眼圖結(jié)果顯示窗口，測量參數(shù)窗口，示波器自身的窗口。
除了窗口多以外，D公司的眼圖測量操作真的有那么復(fù)雜嗎？是的，但也未必，如果你是D公司示波器的Fans，你已經(jīng)知道如何飛速地點擊鼠標，可能你也不會覺得復(fù)雜，但對于初學(xué)者，其操作怎一個“煩”字了得！第一次我們在培訓(xùn)中和D公司的示波器親密接觸，我和我的同事們都象遇到一個刺猬一樣無從下手，最后都只得利用其操作向?qū)У姆绞剑ㄈ鐖D八所示）來執(zhí)行，但這種向?qū)Х绞奖仨氁O(shè)置七步，每一步至少要點擊兩次鼠標。操作到第七步時如果發(fā)現(xiàn)第一步設(shè)置不對，要重新點擊六次回到第一步。但如果第三步時發(fā)現(xiàn)被測信號不是標準的總線信號，這個向?qū)坪醪荒苡脕頊y試普通的串行信號。（可能有更簡便的操作步驟，我僅提供的是我兩次測試的體驗感受，不對之處，請指正。）第一次操作了D的眼圖測量之后激起了我對它的操作步驟的強烈興趣，我下載了RT-EYE
圖六 一鍵操作，信息大全
圖七 D公司的資深工程師點擊上百次鼠標之后的結(jié)果，但測量參數(shù)結(jié)果不見了
圖八 D公司示波器眼圖測量操作步驟
軟件包的操作手冊，在操作手冊的第66頁，有圖九所示的操作說明示意圖。 僅此一圖便可見其操作之繁瑣了，難怪D公司的AE不太愿意去教會工程師們?nèi)ビ盟麄兊难蹐D測量功能， D公司的眼圖軟件是基于外掛的Java程序開發(fā)的，操作的繁瑣和界面的復(fù)雜是由該基因決定的。
圖九 引自RT-EYE軟件包操作手冊
3, 力科示波器測量眼圖的速度快，不管當前捕獲的數(shù)據(jù)樣本數(shù)是400Kpts，還是10Mpts，都能一次利用所有的這些數(shù)據(jù)形成眼圖。 信號速率越來越高，眼圖測量中要求包含的UI樣本數(shù)越來越多，為使自己對產(chǎn)品的硬件性能放心，很多工程師喜歡連續(xù)測量眼圖累計幾百萬的UI來觀察有沒有碰到模板。如果您有這種沖動，希望測試很多樣本下的眼圖，D公司的工程師們會以專業(yè)地口吻告訴你，不必要這樣做，因為XX協(xié)會沒有規(guī)定測試這么多樣本。圖六顯示力科示波器捕獲了4Mpts的采樣點，對應(yīng)的一次測量了494.046K個UI的眼圖。圖十顯示力科示波器捕獲了50Mpts的采樣點，一次性測量了18.73449M個UI的眼圖。力科示波器做10Mpts采樣點的PCI-E G1眼圖需要
1-2秒鐘，但D公司的示波器需要
6分鐘（360秒）。力科示波器做20Mpts采樣點的PCI-E G1眼圖，需要2-3秒鐘，D公司的示波器
通常這時候會死機。
以上數(shù)據(jù)來自于本人實測。但D公司在演示眼圖測量時，您不會覺得很慢，反而覺得很快。為什么？ 您注意到圖七的左上圖有一個標識UIs:8000:574996; Total:8000：574996了嗎？ 這表示D示波器這時捕獲了574996個UI，但只截取了其中的8000個來做眼圖。 如果您要測量100萬個UI的眼圖，D的這個標識數(shù)字會不斷增加，8000-16000-24000-32000,一路漲到1000000，數(shù)字要翻轉(zhuǎn)125次，整個過程歷時大約20分鐘，如果當時示波器的狀態(tài)不好，可能會導(dǎo)致死機。估計等您先去喝一杯咖啡就可以翻轉(zhuǎn)完成。股票每天也都只樣翻轉(zhuǎn)就好了J 圖十 一次捕獲測量18.73449M個UI的眼圖
在圖十一中，我們看到D公司自己聲明的軟件限制，稍懂英語的朋友可以閱讀一下這個限制的含義。其核心意思是這個軟件太消耗計算資源了，用的時候要小心一點;如果要去除存儲深度的限制，您需要創(chuàng)建一個文本文件來解除限制。在那次PK大戰(zhàn)中，D公司堅持要以測量8K個UI來和我們比較測量494K個UI的速度，但堅持不同意解除這個限制——
不解除限制，測量一次8K個UI就不再翻轉(zhuǎn)數(shù)字了，停在8000個，股票一次漲停了! 后來D公司另外一個軟件包DPOJET可以在菜單中解除這個限制，如圖十二所示，“Enable high performance eye rendering”，選中這個之后就可以不斷翻轉(zhuǎn)了。 如果您的測試需求是要測量8K個UI,請注意在測量前設(shè)置這個界面。這個設(shè)置隱藏在"Jitter & Eye Analysis"菜單列表下的"Preferences"子菜單的"Measurement"子菜單中。我的美國同事給我講的一個故事是："when I pointed this out to a customer, the manager of the engineering group basically threw out 3 months worth of serial data measurements done by his team using the Tek DPOJET and asked them to do it all over again." 這個客戶將之前用DPOJET測試了三個月的數(shù)據(jù)全部作廢了,重新再測試一遍！ 您需要檢查一下您之前用D公司示波器測試眼圖時是否注意到了這一點。
圖十一 D公司示自己出具的軟件提示信息
圖十二 D示波器解除限制的菜單設(shè)置
4, 力科示波器可以方便地自定義模板測試
通信行業(yè)中通常有一些串行總線是比較獨特的，暫時還沒有類似于PCI-SIG的權(quán)威組織來定義標準，芯片廠家會在芯片手冊中定義模板的Spec，用戶需要根據(jù)這些Spec自定義模板，如現(xiàn)在流行的CRP II，MDDI等都需要自定義模板。力科示波器可以非常方便地自定義模板。用戶可用免費的Polymask 軟件圖形化設(shè)計或用免費的Masks Database Editor數(shù)據(jù)庫編輯器數(shù)字化設(shè)計。圖十三給出了自定義眼圖的詳細步驟。
圖十三 自定義模板的步驟
5,力科示波器具有眼圖模板故障定位功能，能追蹤到眼圖中碰到模板的數(shù)據(jù)比特位。這個功能對于調(diào)試是非常有意義的。
模板失敗定位跟蹤功能就是將每個碰到模板的比特位用列表顯示出來，并可將每一個出現(xiàn)錯誤的比特位的波形分別顯示出來，而且還可將此失敗比特位的前后相鄰的位同時觀測。如圖十四所示。
圖十四 模板失敗定位跟蹤功能
6，力科示波器具有獨特的ISOBer功能，可以測試出10的確12次方樣本下的眼圖。請參考之前的每周文章。
7，力科示波器具有超強功能的Eye Doctor功能，可以通過測試發(fā)送端的眼圖來模擬出接收端和芯片均衡器均衡之后的眼圖。請參看之前的每周文章。
8, 唯有力科示波器可以同時進行眼圖和8B/10B解碼等其它分析。
有時候我們需要同時進行眼圖測量和其它分析，譬如8B/10B解碼。如果這兩種分析功能如果是屬于兩個軟件包，D公司的示波器不能工作的，因為D公司的示波器一次只能打開機制一個軟件包。如果您在打開眼圖軟件之后再打開8B/10B解碼軟件，示波器會提示您先關(guān)閉眼圖軟件包。力科示波器可以同時運行多個軟件包，沒有任何限制，而且運行的結(jié)果都在線動態(tài)顯示在示波器屏幕上。如圖十五所示。
圖十五 力科示波器同時進行眼圖測量和8B/10B解碼
9, 唯有力科提供基于實時示波器的高速光信號測試方案。
光信號的測量通常是用采樣示波器來完成的，但對于很多公司來說，不太可能因為單板上有光接口就考慮買采樣示波器。力科獨有的光電轉(zhuǎn)換器OE555/455、OE525/425提供了基于實時示波器的光測試的唯一解決方案。如圖十六所示，該光探頭自帶有通用的參考接收機，可以用在力科示波器的任何通道上。
圖十六 力科獨有的基于實時示波器的光探頭
綜上所述，您能接受這個結(jié)論嗎？——力科示波器在眼圖測量方面具有絕對優(yōu)勢，是眼圖測量的首先工具。 YES，WE CAN！力科示波器能夠提供最強的眼圖測量能力！
