标签: 眼图测试

在进入正题前，我们先来看看以下的使用情境，相信在座的你一定不陌生。 有一位消费者为了有更好的存储体验，再加上自己本身的notebook也支持Thunderbolt 3/4，便在市面上买了一个Thunderbolt 3 的NMVe SSD。孰不知使用后才发现其SSD的读写速率并未达到Thunderbolt 3的规格水平，仅达到约USB3.2 Gen2左右的读写速率。不但不符合使用者期待，甚至连「堪用」都称不上。 SSD的读写速率并未达到Thunderbolt 3的规格水平，传输效能的低落让使用者体验大打折扣！ 你以为这只是该名消费者运气不好去买到机王？但坦白说这个案例并不罕见。一般来说，撇除软件方面等因素(比如需要搭配特定的driver，才能达到Thunderbolt 3/4的传输速率外)，有不少的使用者都曾经遭遇过类似的状况。 ☒ 明明我的计算机是USB3.2 Gen1，而我买的SSD规格也同样是USB3.2 Gen1，但为何传输速率就是无法达到USB3.2 Gen1的速率？ ☒ 又或是像本案例的情况，即便我的计算机及SSD都支持Thunderbolt 3及 Thunderbolt 4，可是为什么传输速率却远远不及Thunderbolt的等级？ 眼图测试成照妖镜，设计缺陷逐一现形 其实追根究底，上述情况的大多原因基本上都跟产品本身的硬件设计有关。然而想要揪出问题所在，其实并没有想象中如此困难，这部份只要去验证其 眼图(Eye diagram)的测试 结果即可得知： 大部份通过Logo认证的产品(例如USB和Thunderbolt)在认证测试时都会执行眼图(Eye diagram)， 为何眼图测试如此重要？ 这是因为只要当你的硬件设计有缺陷，不论是连接器选用问题、PCB板材问题还是Layout问题，通常在执行眼图测试时都会得出一个不太理想的结果，如下图所示： 然而这些问题便是造成传轮效能不佳的主因，因此只要执行一次快速的眼图测试，便能高机率地排除及辨识出硬件设计有缺陷的产品，进而实时发掘错误并找出可能肇因。

HDMI是指高清多媒体接口， 英文全称 High Definition Multimedia Interface ，HDMI接口广泛应用于机顶盒、个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。HDMI 是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。 目前HDMI 2.1 CTS规范已经全面发布，随着HDMI 2.1技术更新，HDMI 2.1与HDMI 1.4 / 2.0技术规范大不同，最新的HDMI 2.1规范增加了8K分辨率和eARC的支持，给产品开发和测试带来了诸多挑战。 HDMI 2.1信号完整性性测试整体方案完全向下兼容HDMI 2.0/1.4b， 启威测实验室整理汇总有关HDMI 2.1 Source 信号量测 相关内容，值得测试工程师阅读， 一、 HDMI 2.1 Source信号完整性测试方案 1、 HDMI 2.1 Source测试挑战： (1) 推荐示波器和探棒带宽的20GHz或以上 (2) 新的HDMI 2.1 治具 (3) HDMI 2.0 fixture 不适用于HDMI 2.1测试 (4) 复杂的测试方法，考虑插入损耗和串扰 (5) Source测试需要支持新的cable 模型和均衡技术 (6) Cable 模型 Worst cablemodel 3 和 Short CableModel 3 (7) DFE and CTLE (8) EDID/SCDC 控制器需要升级 (9) 涉及多次采集 (10) 9个测试项目，需要超过34次和采集和90+ 波形 图2.1 FRL Source测试项目 图2.2 HDMI 2.1 Source测试配置 图2.3 FRL Source测试自动化采集 图2.4 FRL Source测试 自动化采集的难点 图2.5 HDMI 2.1 FRL TX 测试装置 图2.6 FRL Source测试 端接电压 图2.7 FRL Source测试单端/差分信号采集 图2.8 FRL Source测试 EDID设置 图2.9 FRL Source测试信号速率设定 图2.10 FRL Source测试 码型设定 图2.11 FRL Source测试 TP2_EQ Eye 图2.12 FRL Source测试一致性软件 图2.13 FRL Source 手动测试方案 HDMI 2.1 Source 测试小结： (1) HDMI 2.1方案MOI已获HDMI协会组织的一致性规范批准； (2) HDMI认证中心(ATC)已正式采用泰克HDMI 2.1方案； 20GHz全带宽同时采集 ，高效省时； (4) 真正的全自动化， 过程中无需任何人工干预，一次连接且测试中无须改变任何连接，DUT的测试码型和速率切换实现全自动控制。需要45次采集90个波形！全部测试完成约1个小时左右，采集分析速度卓越； (5) 整体方案 完全向下兼容HDMI 2.0/1.4b； (6) 自动捕获波形，分析和生成详尽的测试报告。 二、 HDMI 2.1 Source信号完整性测试案例 信号完整性实验室测试能力： 启威测实验室提供HDMI1.4、HDMI2.0、HDMI2.1接口Source & Sink； 信号完整性量测及HDMI接口一致性测试验证、HDMI1.4/ 2.0/2.1眼图测试。 HDMI接口信号量测部分夹具展示: 启威测实验室原创，转载请联系 启威测实验室提供各种电子产品高速接口信号量测，包括 显示接口： HDMI1.4/2.0/2.1,DP1.2/1.4, Mipi C/D-PHY, LVDS, V by one 接口； 存储方面： DDR2/3/4/5, eMMC, SDMMC等； 针对板级信号： PCIE2.0/3.0/4.0/5.0（mini PCI-E，M.2 NVMe）, USB2.0/3.0/4.0（Type A,B,C) , eDP， Ethernet(10/100/1000 Base-T) 等提供定制化的测试方法,全面保障消费电子产品的信号质量。 更多信号完整性测试，详询启威测：

什么叫眼图 眼图是在示波器的横轴上把一串串比特周期叠加，形成眼样波形。图中：眼高代表噪声；眼宽代表抖动。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，因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰，改善系统的传输性能。 观察眼图的方法是 :用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称 为 "眼图"。 随着技术的变革，用户越来越追求便利和感观体影音效果，为了提升用户体验，影像或游戏的资料量越来越大。技术方面为了维持视觉语音整体流畅和即时性，各种产品间的传递效率和处理速度必须加快。加快信号传输速度就会造成接收端辨识率降低。此外，现今电子产品体积缩小，造成电路板间的信号线间的距离变近，造成信号线与信号线间的相互干扰已不得再忽略。那么该如何判定一个产品的传输质量的好坏？我们可以利用眼图作为判定产品信号品质优劣的依据。 眼图是怎么形成的 一般均可以用示波器观测到信号的眼图，其具体的操作方法为 :将示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。示波器一般测量的信号是一些位或某一段时间的波形，更多的反映的是细节信息，而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特征。 如果示波器的整个显示屏幕宽度为 100ns，则表示在示波器的有效频宽、取样率及记忆体配合下，得到了100ns下的波形资料。但是，对于一个系统而言，分析这么短的时间内的信号并不具有代表性，例如信号在每一百万位元会出现一次突波(Spike)，但在这100ns时间内，突波出现的机率很小，因此会错过某些重要的信息。如果要衡量整个系统的性能，这么短的时间内测量得到的数据显然是不够的。设想，如果可以以重复叠加的方式，将新的信号不断的加入显示屏幕中，但却仍然记录着前次的波形，只要累积时间够久，就可以形成眼图，从而可以了解到整个系统的性能，如串扰、噪声以及其他的一些参数，为整个系统性能的改善提供依据。 一个完整的眼图应该包含从 "000"到"111"的所有状态组，且每一个状态组发生的次数要尽量一致，否则有些信息将无法呈现在屏幕上，八种状态形成的眼图如下所示: 如果这八种状态组中缺失某种状态，得到的眼图会不完整，如下所示 眼图相关的参数有很多，如眼高、眼宽、眼幅度、眼交叉比、 "1"电平，"0"电平，消光比，Q 因子，平均功率等。 对于一幅真实的眼图，如图，首先我们可以看出数字波形的平均上升时间 (Rise Time)、下降时间(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/Crossing Percent)等基本的电平变换的参数。 信号不可能每次高低电平的电压值都保持完全一致，也不能保证每次高低电平的上升沿、下降沿都在同一时刻。如图，由于多次信号的叠加，眼图的信号线变粗，出现模糊 (Blur)的现象。所以眼图也反映了信号的噪声和抖动：在纵轴电压轴上，体现为电压的噪声(Voltage Noise)；在横轴时间轴上，体现为时域的抖动(Jitter)。 由于噪声和抖动，眼图上的空白区域变小。如图，在除去抖动和噪声的基础上，眼图上空白的区域在横轴上的距离称为眼宽 (Eye Width)，在眼图上叠加的数据足够多时，眼宽很好的反映了传输线上信号的稳定时间；同理，眼图上空白的区域在纵轴上的距离称为眼高(Eye Height)，在眼图上叠加的数据足够多时，眼高很好的反映了传输线上信号的噪声容限，同时，眼图中眼高最大的地方，即为最佳判决时刻。 数字信号在采样前后，需要有一定的建立时间 (Setup Time)和保持时间(Hold Time)，数字信号在这一段时间内应保持稳定，才能保证正确采样，如图蓝色部分。而对于输入电平的判决，需要高电平的电压值高于输入高电平VIH，低电平的电压值地与输入低电平VIL，如图中的绿色部分。所以，我们可以得知最早的采样时刻图1和最晚的采样时刻图2。 在最佳采样时刻，采样的误码率是最低的，而随着采样时刻向时间轴两侧的移动，误码率不断增大，如图所示。所以工程上也经常画出信号采样周期内误码率的变化曲线，称为澡盆曲线 (Bathtub Curve)。 三．眼图与性能的关系 眼图的 "眼睛"张开的大小反映着码间串扰的强弱。"眼睛"张的越大且眼图越端正表示码间串扰越小;反之表示码间串扰越大。当存在噪声时噪声将叠加在信号上观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰 "眼睛"将张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比原来清晰端正的细线迹变成了比较模糊的带状线而且不很端正。噪声越大线迹越宽越模糊;码间串扰越大眼图越不端正。 理论分析得到如下几条结论在实际应用中要以此为参考从眼图中对系统性能作一论述 : (1)最佳抽样时刻应 在 "眼睛" 张开最大的时刻。 (2)对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大对定时误差就越灵敏。 (3)在抽样时刻上眼图上下两分支阴影区的垂直高度表示最大信号畸变。 (4)眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。 (5)在抽样时刻上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。 (6)对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小表示零点位置的变动范围这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。 四．怎么判断眼图 在实际测试时，为了提高测试效率，经常使用到的方法是 Mask Testing。即根据信号传输的需求，在眼图上规定一个区域（如图中的菱形区域），要求左右的信号全部出现在这个区域之外，一旦菱形区域内有出现信号，则宣布测试未通过。 五：如何帮自己的产品测试眼图 有两个方式可以给自己的产品测试眼图， 一是购买示波器、夹具等仪器工具，自己测试眼图。 二是也是最简单，最直接的方式，百度搜索 “安信实验室”，可以非常轻松方便快捷帮助你解决产品的眼图测试。

现在示波器上的DDR 物理层信号分析方案，都是针对JEDEC 规范的一致性 测试。在这种方案中，分析软件会按照JEDEC 规范分析DDR 信号的各种参数， 并判断测试结果Pass 或者Fail，最终生成一份报告。但是很多的研发工程师，并 不想仅仅获得一个Pass 或者Fail 的结果，而是想对信号做调试分析，但是传统 的串行信号分析软件无法分析DDR 信号，为此，力科推出了新的DDR Debug toolkit。   一，新的DDR 信号分析方法   力科DDR Debug toolkit 提供了一种简单易用的DDR 信号调试工具，它快速 的对数据做读写分离，形成读写眼图，对眼图进行模板测试和参数测试，对抖动 进行分解，定位问题的根源，对比较重要DDR 参数进行测量，像建立时间、保 持时间、TDQSCK 等，灵活设置参数，对DDR 信号问题进行调试，可以支持 DDR2/DDR3/DDR4/LPDDR2/LPDDR3 等。   二，眼图测量   可以同时产生和显示10 个眼图，对5 路DDR 信号进行分析，查看分析眼间 的Skew 和时间信息，可以选择DQS 或者Clock 作为时间参考，自定眼图模板， Teledyne Lecroy进行眼图模板测试。     三，测量多个眼图参数：  Eye Height  Eye Width  Eye Crossing  Mask Hits  Mask Out  Eye Amplitude  One Level  Zero Level     四，抖动测试   像传统的串行信号分析一样，对DDR 信号的抖动进行测量分析，对抖动进行分 解(Tj，Rj，Dj，DCD 等)，从TIE Track、TIE Histogram、Bathbub Curve 观察分析抖 动，更加深入的了解抖动的分布和源头。     五，DDR 参数测量   对比较关键的DDR 参数进行测量，可以同时测量12 个参数，包括Max、Min， Mean 等统计值。  Bursts, transitions, Vref  VH(ac), VH(dc), VL(ac), VL(dc)  tDS, tDH, tIS, tIH  tDQSQ, tDQSCK  Slew Rise, Slew Fall