很多方法都可以表征高速數字通道，目標是驗證說明通道合規性的特定信號完整性指標。S參數和阻抗等指標都很有用，但還有一項重要測量需要使用數字比特流進行評估：眼圖。

作為通道合規性的一部分，眼圖是一種有用的測量或仿真。該測量結果可顯示許多能夠同時影響信號行為的不同因素，最終確定通道中的錯誤和損耗。在本文中，將介紹一些可以從眼圖中手動提取的基本測量結果，以及它們如何揭示一些改進通道設計的策略。

信號完整性分析中的眼圖

什么是眼圖？

眼圖是用于鑒定數字系統中通道設計的基本測量方法之一。這涉及在時域采樣軌跡中疊加比特流的上升沿和下降沿，例如使用示波器。信號完整性仿真器可以執行相同類型的信號電平疊加。通過疊加上升沿和下降沿，輕松可視化信號行為的方差水平。

可能導致誤碼率的方差是通過該測量結果確定的主要量。通過重疊信號軌跡，在時域測量結果的各個點進行統計。下圖顯示了示例眼圖和從軌跡的低信號電平中獲取的測量結果的直方圖。根據該直方圖，可以通過計算樣本標準偏差和平均信號電平，將數據擬合為正態分布。生成的正態分布疊加在下面的數據上。

眼圖信號完整性分析，此處顯示的眼圖（左）用于捕獲0等級（右）的統計數據。此圖片改編自Jason Ellison關于COM的文章中的眼圖。

可以從眼圖中了解什么

此圖可幫助量化來自單次測量的大量信息?？梢灾苯訌难蹐D測量結果中提取以下信息：

定時抖動：查看開關期間的信號交叉點時，可以從眼圖中直接看到上升/下降起始的變化。這將考慮差分對中的隨機噪聲和時序偏差。

信號電平差異：可以輕松查看信號電平是如何變化的。一般來說，這是定時抖動加上其他隨機噪聲的某種函數。信號電平也可能因阻抗不匹配而異。

平均上升/下降時間：這等于平均90%信號電平時間和平均10%信號電平時間之間的時間。它與系統中的通道響應和噪聲有關。如果存在強烈的反射、噪聲或ISI，則上升/下降時間可能不平穩，并且可能表現出停滯或強烈的變化。

平均符號持續時間：這是連續信號交叉中點之間的時間。

比特誤碼率（BER）：通過將邏輯閾值與眼圖中接收到的比特進行比較，即可確定比特誤碼率。這個值取決于多個因素，但理想值可以小至10-12或更低。均衡和預加重等技術是降低BER值的兩種方法。例如，動態反饋均衡（DFE）用于使用PAM-4的400G。

符號間干擾

由于信號完整性問題，連續信號相互干擾的情況就是符號間干擾。通過檢查連續比特產生的符號間干擾，即可識別數字通道中的具體問題。在通道中找到的ISI是一項總結性指標，Jason Ellison在本文中提供了良好的概述以及與插入損耗偏差的比較。

這就提出了一個相反的問題：什么元素可以構成客觀上理想的眼圖？理想情況下，將獲得零信號失真、零抖動、零脈沖擴展和零幅度噪聲。換句話說，輸出信號與輸入信號完全匹配。正是因為能夠看到這一點，眼圖才成為信號完整性的基本組成部分！

如何閱讀眼圖

為高速通道生成的眼圖說明了不同電平之間信號轉換的統計數據以及每個邏輯電平的電壓統計數據。這使您可以測量由于符號間干擾、串擾以及任何添加到通道的現象學噪聲（驅動器I/O電源軌上的電平抖動）而導致的接收器上存在的噪聲。不過，用于讀取眼圖的典型指標是其面具或眼圖開度。

眼圖開度表示眼圖內部的區域。要了解眼圖開度，我們可以查看以下224 Gbps PAM-4通道的示例。下面的仿真顯示了芯片與其連接器模塊之間約700密耳長通道的偽隨機比特流的眼圖；使用Simberian計算。當唯一存在的抖動來自完美端接負載下的反射，最高可達所需的56 GHz通道帶寬時，我們可以看到，信號之間的間隔約為220 mV，眼圖開度非常清晰。

短通道的224 Gbps PAM-4眼圖。

我們可以清楚地看到，沿時間軸的眼圖開度范圍約為單位間隔（UI）的44%到57%。這表示僅由于傳入脈沖干擾反射脈沖而在接收器處觀測到的抖動量。僅由于脈沖的疊加，該通道中的抖動范圍約為1.16 ps。

將隨機抖動添加到通道后，隨著時間軸和電壓軸上的交叉點開始變化，我們會看到眼狀圖案變得有些模糊。以下結果顯示了僅5%隨機抖動（UI中的st段偏差）存在于被驅動到通道中的信號上升沿時的現象。這種抖動水平可能看起來很小，但考慮到約9 ps UI值和25% UI上升時間，這足以顯著改變水平交叉點。結果是水平之間存在垂直距離，交叉點之間的水平距離減小。

眼圖224 Gbps PAM-4抖動

其寓意是：抖動可被視為時域中的噪聲源，它增加了電壓域中的噪聲水平，并且噪聲水平的這種變化可在眼圖中觀測到。在另一篇文章中，我將研究隨機抖動眼圖開度之間的相互作用，以便我們可以看到通道中可以容忍的隨機抖動的可接受限制。

測量并模擬眼圖和BER

正如我之前提到的，眼圖可通過已知S參數/傳遞函數以及已定義緩沖的通道模型進行仿真，也可以直接從存在所有寄生效應的PCB布局進行仿真。如果已知通道模型，則可通過卷積運算，從偽隨機位序列仿真眼圖（參見下方框圖）。此過程可在Matlab或其他數學腳本程序中實現。

眼圖仿真過程

使用原型時，最終目標是確定合規性，并從測量結果中提取通道模型。通道模型對進一步的設計任務非常有用，例如添加連接器或過孔過渡。確定通道合規性還需要分析BER，這可能相當復雜，本文不展開介紹了。