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简单辨别眼图

2018-02-14 12:14:57 波威编辑部 1451

1、 眼图的形成

眼图是一系列数字信号在示波器上累计而显示的图像,其形状类似于人的眼睛,故称“眼图”。

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在用示波器观察传输的数据信号时,使用被测系统的定时信号,通过示波器外触发或外同步对示波器的扫描进行控制,由于扫描周期此时恰为被测信号周期的整数倍,因此在示波器荧光屏上观察到的就是一个由多个随机符号波形共同形成的稳定图形。这种图形看起来象眼睛,称为数字信号的眼图。一个完整的眼图应该包含“000”到“111”的所有状态组,8种状态形成眼图的过程如下图所示:

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示波器一般测量的信号是一些位或某一时间段的波形,更多的反映的是细节信息,而眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形,它包含了丰富的信息,从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响,体现了数字信号整体的特征,从而估计系统优劣程度,为整个系统性能的改善提供依据。

2、 眼图的结构和参数

眼图的参数有很多,如眼高、眼宽、眼幅度、眼交叉比、消光比、Q因子、平均功率等,各个参数如下图所示:

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“眼幅度”表示“1”电平信号分布与“0”电平信号分布平均数之差,其测量是通过在眼图中央位置附近区域(通常为零点交叉时间之间距离的20%)分布振幅值进行的。

“眼宽”反映信号的总抖动,即是眼图在水平轴所开的大小,其定义为两上缘与下缘交汇的点(Crossing Point)间的时间差。

“眼高”即是眼图在垂直轴所开的大小,它是信噪比测量,与眼图振幅非常相似。

下面详细介绍如消光比等一些复杂的概念,以帮忙理解眼图的性能。

(1)     消光比

消光比定义为眼图中“1”电平比“ 0 ”电平的值。根据不同的速率、不同的传输距离、不同的激光器类型,消光比要求不一样。一般的对于 FP/DFB 直调激光器要求消光比不小于 8.2dB 。EML 电吸收激光器消光比不小于 10dB 。ITU-T 中对于消光比没有规定一个最大值,但是这并不意味着消光比可以无限大,消光比太高了,将导致激光器的啁啾系数太大,导致通道代价超标,不利于长距离传输。一般建议实际消光比与最低要求消光比大 0.5~1.5dB。这不是一个绝对的数值,之所以给出这么一个数值是害怕消光比太高了,传输以后信号劣化太厉害,导致误码产生或通道代价超标。

(2)     眼交叉比

交叉点就是两只眼睛交叉的地方,它的比例反映了信号的占空比大小。由于传输过程中,光信号的脉冲宽度将会展宽,导致接收侧的交叉点相对于发送侧上移。为了有利于长距离传输,保证接收侧的交叉点比例在大约 50%左右,使得接收侧的灵敏度最佳,我们一般建议在发送侧把交叉点的位置稍微下移一些 ,一般发送侧交叉点比例建议控制在 40%~45%。

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(3)     Q因子

Q 因子可以通过示波器测得,它综合反映出眼图的质量问题。Q 因子越高越好,表明眼图的质量越好。Q 因子一般受噪声、光功率、电信号是否从始端到终端阻抗匹配(有关阻抗匹配,后文会详细说明)等因素影响。一般来说,眼图中“1”电平的这条线越细、越平滑,Q 因子越高。在不加光衰减的情况下,发送侧光眼图的 Q 因子不应该小于 12 ,越高越好。接收测的 Q 因子不应该小于 6 ,越高越好。

(4)     信号的上升时间、下降时间

信号的上升时间、下降时间反映了信号的上升、下降的快慢,一般指整个信号幅度的 20%~80%的变化的时间。一般要求其上升、下降时间不能大于信号的周期的 40%。如 9.95G 信号要求其上升、下降时间不大于 40ps。

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(5)     抖动

抖动是在高速数据传输线中导致误码的定时噪声。如果系统的数据速率提高,在几秒内测得的抖动幅度会大体不变,但在位周期的几分之一时间内测量时,它会随着数据速率成比例提高,进而导致误码。因此,在系统中尽可能的减少这种相关抖动,提升系统总体性能。分析抖动以及其具体产生原因将有助于在系统设计时尽可能的减少抖动产生的影响,同时可以确定抖动对BER的影响,并保证系统BER低于某个最大值。因此,抖动的形成原因直观的表示如下图:

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(6)     信噪比

信噪比同样可以定性反映信号的质量好坏,做为一个比较参考。这个测量值是越大越好,一般在发送侧的测量值都大于 30dB。定量地测量需要使用光谱分析仪。

 

3、 眼图与系统性能

经过研究和实验可以从眼图中得出整体系统的性能情况,这里我们结合眼图框架给出下面的结论。

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眼图的结构图

(1)最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻;

(2)眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵敏程度;斜率越大,对定 时误差越灵敏;

(3)眼图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围;

(4)眼图中央的横轴位置对应于判决门限电平;

5)过零点失真为压在横轴上的阴影长度,有些接收机的定时标准是由经过判 决门限点的平均位置决定的,所以过零点失真越大,对定时标准的提取越不利。

(6)抽样时刻上、下两阴影区的间隔距离之半为噪声容限,噪声瞬时值超过它 就可能发生错误判决。

 

4、 眼图与误码率

在数字电路系统中,发送端发送出多个比特的数据,由于多种因素的影响,接收端可能会接收到一些错误的比特(即误码)。错误的比特数与总的比特数之比称为误码率,即Bit Error Ratio,简称BER。误码率是描述数字电路系统性能的最重要的参数。在GHz比特率的通信电路系统中(比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA),通常要求BER小于或等于10-12。误码率较大时,通信系统的效率低、性能不稳定。影响误码率的因素包括抖动、噪声、信道的损耗、信号的比特率等。

在误码率(BER)的测试中,码型发生器会生成数十亿个数据比特,并将这些数据比特发送给输入设备,然后在输出端接收这些数据比特。然后,误码分析仪将接收到的数据与发送的原始数据一位一位进行对比,确定哪些码接收错误,随后会给出一段时间内内计算得到的BER。考虑误码率测试的需要,我们以下面的实际测试眼图为参考,以生成BER图,参考眼图如下所示:

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BER图是样点时间位置BER(t)的函数,称为BERT扫描图或浴缸曲线。简而言之,它是在相对于参考时钟给定的额定取样时间的不同时间t上测得的BER。参考时钟可以是信号发射机时钟,也可以是从接收的信号中恢复的时钟,具体取决于测试的系统。以上述的眼图为参考,眼睛张开度与误码率的关系以及其BER图如下:

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图 眼睛张开度与误码率的关系

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图 BER(T)扫描或浴缸曲线

上述两图中,BER图与眼图时间轴相同,两侧与眼图边沿相对应,样点位于中心。BER一定时,曲线之间的距离是该BER上的眼图张开程度。在样点接近交点时,抖动会导致BER提高到最大0.5。

5、 常见眼图分析

接下来我们来看一些典型的较好的眼图和一些有问题的眼图,并分析这些眼图的问题在哪里。

以下是一个较好的 622M 的光眼图,我们可以看出比较对称,眼线很细,消光 比适中,Q 因子很高,达到了 24。

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以下为不加 STM-4 滤波器的 622 的眼图,可以看出眼图的眼线较细,特别是 上升、下降沿,“1”电平有点波动,这是因为不加低通滤波器以后,信号的谐波没有被滤掉,各谐波分量叠加起来成为有波纹的方波。我们看到即使“1”电平不平坦,其 Q 因子仍然达到 21.7。

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以下为一个较好的 2.5G 的,眼图比较对称,眼线比较细,“0”、“1”电平都 比较平滑,消光比适中,Q 因子较高。


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以下为较好的 10G 眼图,眼图对称,眼图比较细,特别是“0”、“1”电平; 上升、下降沿稍粗一点,可见信号的抖动较大;消光比适中,Q 因子较高。交叉 点稍微高,实际调试中,可以将交叉点调低一点点。

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总的来说,速率越高,眼图质量将越差。这主要由两个方面引起:第一是抖动,速率越高,抖动越难控制;第二是噪声,由于测试过程一般都要加相应的低 通滤波器,10G 信号的低通滤波器的带宽大约为 8GHz,622M 信号的低通滤波器的 带宽大约为 500MHz,从500MHz~8GHz 这个频率范围的噪声,被 622M 信号的滤波 器滤掉了,却没有被 10G 信号的滤波器滤掉,所以从眼图看了,10G 信号的噪声 更大一下。


有问题的眼图分析

以下为一个有问题的 622M 眼图,这个眼图问题比较多,我们来一一分析: 首先,眼图有非常明显的两个上升、下降沿(俗称双眼皮);“0” 电平“1”

电平不平坦,信号有过冲,下冲;消光比偏低只有 4.1dB ;产生这些现象的原因 怀疑是信号的阻抗不匹配,导致信号的过冲、下冲和多径。这个眼图还说明了另 一个问题,眼图要能够套住模板只是眼图的最基本的要求,而不是唯一的要求。 我们看一下,这个眼图的边的离模板还是有一定的余量的。

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我们再来看看以下 622M 眼图,其问题在于噪声非常大,估计是信号的滤波没有处理好。


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以下为 2.5G 眼图,总的质量还不错,存在的问题是眼图有点歪,不对称,这个跟激光器的调制特性有一定的关系。

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以下 2.5G 眼图,存在的问题是抖动较大,注意与上一个眼图比较,其上升、 下降沿都较粗,特别注意比较其峰峰值抖动、均方根抖动、下图都比上图的大。

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以下 2.5G 的眼图就比较糟糕,眼图扭来扭去的,上升、下降都很缓,信号质 量不好,Q 因子只有 6.4。消光比也很低,只有 6.6dB。其原因可能是驱动器、激 光器本身问题、或者阻抗非常不匹配。

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以下一个为 2.5G 眼图,可以明显看出眼图的上升沿有振铃,可能两个原因引 起的:第一是信号线上面阻抗不匹配;第二是直调激光器的张驰振荡引起的振铃。

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以下为 10G 眼图,眼图存在两个问题,第一消光比太低,只有 10dB。眼图“1”电平很粗、不平坦。可能的原因是:信号不匹配引起的。

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以下 10G 眼图没有其测量数据,但是从眼图的上升、下降沿比较粗可以看出 来,其信号的抖动比较大。

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以下为 10G 眼图,这个眼图的问题是噪声比较大,这从哪里看出来呢? 请注 意,眼图的上升、下降、“1”电平都比较粗,整个眼图散点比较多,很不干净。

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以上三个眼图我们分析了导致眼图不好的三种情况:阻抗不匹配、抖动、噪声。这三种情况如何从眼图看出来呢?如果眼图的“1”电平线比较粗、不平坦(上面),那么就是阻抗不匹配引起的。解决问题要从保证从始端到终端阻抗匹配。如果眼图的上升、下降沿比较粗(中间),那么就是抖动引起的,解决问题要从减小信号抖动,如:提高输入时钟质量,合理设计锁相环,特别是低通滤波器部分着手。如果眼图的都比较粗(全部),那么就是噪声引起的,一般来说是电源噪声、地回路不通畅或者信号周围有大的干扰源引起的,解决问题也是要从这几方面着手。

对于眼图,不能以一把尺子来衡量,速率越高,眼图质量越难保证;目标传输距离越远,要求的眼图质量也好;同时有数据、时钟输入的光模块比只有数据输入的光模块的眼图质量会更好一些,特别在抖动方面。


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