基于PicoScope 9000實現高速電信號眼圖測量

摘要

關于高速電信號的眼圖測量，相信大家會很自然的想到目前所熟知的三個研發生產高端示波器的美國廠家： Keysight，Tektronix，Teledyne LeCroy；相信很多中小型公司也會望眼圖測試而卻步，因為這樣的高端測試儀器非常昂貴。本文要介紹的不太為市場所熟知的也比較特別的一款高速信號測試設備，來自英國比克科技（Pico Technology）的高速采樣示波器PicoScope 9000,帶寬可達25GHz，采樣率15TS/s，也許能夠幫助更多的公司以更為合理的投入實現對高速信號眼圖的測量。

一、眼圖的定義

顧名思義，眼圖就是象眼睛一樣形狀的圖形。眼圖是用余輝方式累積疊加顯示采集到的高速串行信號的所有比特位的結果，疊加后的圖形形狀看起來和眼睛很像，所以稱作為眼圖。如下圖1所示：

圖1 眼圖

二、測量眼圖的意義

如下圖所示，高速串行信號通常是由多個0和1以一定的序列組成的碼型，如常用的PRBS7，PRBS9，PRBS11等碼型，不同的碼型序列所包含的0和1數量也不同，如PRBS7包含（2+E7） – 1個0和1的數量。個別的0和1位的信號質量往往代表不了整個碼型的信號質量，所以將碼型中的所有位疊加到一起進行評估能夠更好的反應高速串行信號的質量。

圖2 典型的高速串行信號

如前面所述，眼圖是用一張圖形（高速串行碼型中所有位的疊加）就完整地表征了串行信號的所有比特位信息，所以成為了衡量串行信號質量的最重要工具。眼圖測量的結果是合格還是不合格，其判斷依據通常是相對于“模板（Mask）”而言的。 模板規定了串行信號“1”電平的容限，“0”電平的容限，上升時間、下降時間的容限。所以眼圖測量有時侯又被稱為“模板測試（Mask Test）”。 模板的形狀也各種各樣，通常的NRZ信號的模板如下圖3所示。在串行數據傳輸的不同節點，眼圖的模板是不一樣的，所以在選擇模板時要注意具體的子模板類型。

圖3 常見的高速串行信號眼圖模板

通過眼圖的形狀特點可以快速地判斷信號的質量。如下圖4所示的眼圖具有非常細的跡線，且遠離眼圖模板，這樣的眼圖非常漂亮，說明高速串行信號具有很小的噪聲、抖動；而圖5中的眼圖跡線很粗，已經非常接近眼圖模板，這說明高速串行信號具有比較大的抖動和噪聲。

圖4 好的眼圖

圖5 較差的眼圖

很多情況下還需要量化測量眼圖的性能，以了解信號眼圖相對于眼圖模板的余量，這就需要對眼圖進行自動化參數測量，專業的示波器軟件中一般會標配有專門針對眼圖進行測量的參數：如眼高、眼寬、眼幅度、上升/下降時間、抖動等。如下圖6、圖7、圖8所示分別為基于PicoScope 9000實現對高速串行信號眼圖的眼寬、眼高、抖動等參數的測試。

圖6 眼寬的測量

圖7 眼高的測量

圖8 抖動的測量

三、利用PicoScope 9000示波器測量PCIE信號眼圖

如下圖9所示，被測件為顯卡，顯卡通過一個夾具將PCIE信號轉換為SMA接口輸出，圖中我們分別用一根SMA線纜和高帶寬探頭分別連接夾具上的一對SMA接口，即PCIE某一差分信號對中的“+”和“-”信號線，SMA線纜和高帶寬探頭的另外一端連接到PicoScope 9000示波器上。這樣我們就可以同時得到基于探頭的測量結果和SMA線纜的測量結果。如下圖10、圖11所示分別為高速串行信號的波形和眼圖測試結果。

圖9 PCIE信號的眼圖測試連接圖

圖10 PCIE信號的波形測試結果（黃色為探頭測試結果，藍色為SMA測試結果）

圖11 PCIE信號的眼圖測試結果（黃色為探頭測試結果，藍色為SMA測試結果）

四、PicoScope 9000示波器介紹

如下圖12所示，PicoScope 9000是業內領先的模塊化高帶寬采樣示波器，可通過USB或者以太網與PC連接進行高速信號眼圖的測試，PicoSample 4軟件運行在PC上，實現對PicoScope 9000示波器的控制以及對采集到的信號進行測量、分析等功能。PicoScope 9000系列示波器具有如下特點和功能：

圖12 PicoScope 9000系列示波器

● 25 GHz帶寬

● 16 Bit ADC

● 等效采樣：15 TS/s

● 實時采樣率: 1 MS/s

● CDR: 6.3 Mb/s-11.3 Gb/s

● 光輸入帶寬: 9.5 GHz

● 17.5 ps上升時間

● 集成脈沖/時鐘/NRZ/RZ信號源

● 光/電信號的波形、眼圖、抖動、消光比等測試

● TDR脈沖沿：<65ps or <45ps

● 線纜/連接器/PCB走線等的特征阻抗、損耗及延時測試

PicoScope 9000系列示波器型號對比：