原创 全球第四代示波器系列述评之十五 ——ISOBER,10的12次方样本下的眼图

                        —— 基于误码率的眼图测试，ISOBER

摘要：在实时示波器上测量高速数字信号的眼图时，常规的眼图测量方法很难测到10的12次方个比特的眼图，力科的ISOBER技术可在实时示波器上快速测量与分析很低误码率时的眼图轮廓，为高速串行信号设计提供了更好的分析与验证方法。

 关键词：BER, 常规眼图测量，BER Eye Contour，ISOBER，实时示波器 

    常规的眼图测量

眼图测试是高速串行信号物理层测试的一个重要项目。眼图是由多个比特的波形叠加后的图形，从眼图中可以看到：数字信号1电平、0电平，信号是否存在过冲、振铃？抖动是

否很大？眼图的信噪比？上升下降时间是否对称（占空比）？眼图反映了大数据量时的信号质量，可以最观的描述高速数字信号的质量与性能。如图1所示为某1.25G信号的眼图。可以看到该信号的抖动较大。另外，在很多高速数字信号的标准中，定义了不同测量点的眼图模板。图1的深蓝色部分是眼图模板，测量到的眼图不能触碰到该模板。

       在实时示波器中，通常使用连续比特位的眼图生成方法。力科于2002年在业界最早采用连续比特位的眼图测试方法，使用软件CDR恢复时钟，能快速测量眼图和抖动。如下图2所示，第一步示波器采集到一长串连续的数据波形；第二步，使用软件CDR恢复时钟，用恢复的时钟切割每个比特的波形，从第1个、第2个、第3个、一直到第n-1个、第n个比特；最后一步是把所有比特重叠，得到眼图。在测量中需要注意的是当前的眼图是多少个比特生成的眼图？    

     什么是BER?

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。BER=指的是发送/接收了10个比特，只允许1个比特出错。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、噪声以及信号的速率。

在上文中提到眼图是多个比特位的信号叠加得到的测量结果，所以测试中需要注意眼图是由多少个比特组成的？

使用常规的实时示波器来测量高速串行信号的眼图，在几秒钟内可以生成1万个比特叠加的眼图。力科示波器使用了创新的XStream专利技术，可以快速的生成眼图，以SDA816Zi测量3.125Gbps的XAUI信号为例，大概几秒就可以得到上百万个比特的眼图。即使如此速度，也很难直接测量到10个比特的数据叠加得到的眼图，与误码率联系在一起，即BER=10时的眼图轮廓。假设每5秒测量到1M个比特的眼图，测量10的眼图需要5*10秒 = 1388.8小时，可见对于示波器来说，测量BER=10的眼图是很有挑战性的。如图3所示为叠加了282万个比特的眼图。

 基于误码率的眼图轮廓测试又称为BER Eye Contour测试，在抖动测量的权威文档MJSQ（Methodologies for Jitter and Signal Quality Specification的缩写）中提出用BERT scan方法来测量BER Eye Contour（见MJSQ Rev14.1的10.4.3节）。误码率测试仪BERT通过不断调节延时时间得到在水平方向的特定决策点的误码率，同时可以测量到不同误码率的总体抖动，同理，在垂直方向调节门栏电压，可以得到特定电压的误码率。同时扫描水平方向的延时和垂直方向的门栏电压并测量误码率，即可得到眼图内任一个判决点的误码率，将相同误码率的点连线，即可得到某个误码率的眼图轮廓（通过BERT得到BER Eye Contour的详细介绍可以参考BERT厂商的相关技术资料）。力科在2008年10月推出了新一代的串行数据分析选件——SDAII，SDAII可以测量某误码率的眼图轮廓，是目前实时示波器中唯一可以测量误码率眼图的解决方案。在力科示波器的操作界面如图4所示，在测量到眼图后，选择“Show IsoBER”，点击Start IsoBER Scan即可得到多个误码率下的眼图轮廓。缺省的误码率是从10的-6次方扫描到10的-12次方，起始BER和结束BER可自定义。     基于误码率的眼图轮廓测试在力科SDAII中称为ISOBER。

    ISOBER的原理

在力科示波器中，测量到一定数量比特叠加的眼图后，以眼的中心为原点，以若干条对角线对眼图进行切割，如图5所示的红色直线是对眼图进行切割，计算出眼图在每条切割线上的直方图，如图5中红色抛物线所示。使用MJSQ文档的Dual-Dirac模型对直方图的尾部进行拟合与外插值，推算出更多统计样本时的直方图分布，即低误码率时的直方图的极值。把每条切割线上的直方图在同一误码率的极值的座标用直线连接，得到图5下部分所示为各个误码率的眼图轮廓。为了保证直方图外插值的精度，通常需要累积上百万个比特的眼图后再进行ISOBER scan。（关于Dual-Dirac模型的详细介绍，参考MJSQ文档）

ISOBER可以快速测量出低误码率时的眼图轮廓，对于高速串行信号的分析与验证非常实用。如下图6所示是用力科示波器测量两个3.125Gbps信号的ISOBER图。可见，在同样测量了140万个比特的眼图后，两者的眼图非常接近，眼高与眼宽也比较接近。但是，使用ISOBER扫描后，BER=10的眼图轮廓相差较大。在BER=10时，左半部分的眼图轮廓远小于右半部分的眼图轮廓，说明右半部分的高速串行信号的整体性能优于左半部分的。

   
    图6：两个串行数据ISOBER结果比较图

如果我们同时对两路串行信号进行抖动分析，抖动分解结果如表1所示。可以发现前者的随机抖动Rj较大（高达10.11ps），后者的周期性抖动较大（36.37ps）。由于BER=10的总体抖动Tj(1e-12) ＝ Dj + 14.07 * Rj ，随机抖动Rj对于总体抖动Tj的影响很大。尽管后者的Pj大于前者，但是前者的Rj大于后者，最终前者的Tj(1e-12)大于后者，所以不难理解为何前者的BER=10的眼图轮廓小于后者了。

在串行数据链路中，随机抖动通常来自于高速收发器的时钟，参考时钟经过锁相环倍频后为高速收发器提供时钟，如果PLL的输入时钟的随机抖动较大时，经过PLL倍频后成比例增大（与PLL的倍数相同）。对于左半部分的串行数据链路，需要测量和分析参考时钟和PLL。而周期性抖动通常来自于开关电源噪声和串扰，对于右半部分的串行数据链路，需要测量和分析高速收发器的电源噪声、PLL的电源噪声与抖动。

结语：在力科开发ISOBER之前，业界只能使用BERT或者采样示波器来测量基于误码率的眼图，而BERT和采样示波器的普及率较低。实时示波器作为电子工程师最频繁使用的通用仪器，力科的串行数据分析选件的ISOBER功能可以快速的测量低误码率下的眼图轮廓，为高速串行数据的分析和验证提供了更好的方法。

1, Fibre Channel – Method Jitter and Signal Quality Specification – MJSQ, T11.2/Project 1315-DT/Rev 14.1, June 5, 2005.