什么是眼图

上一篇 / 下一篇  2017-08-07 20:15:55

眼图是什么?眼图是用于  输入输出信号都为二进制随机信号的系统或电路  的一种工具,这种工具用来观察电路的非理想因素对输入信号造成的码间干扰会达到怎样的程度。所以,为了能了解眼图,我们首先要了解下码间干扰。

码间干扰,英文称为“intersymbol interference”ISI)。码间干扰会由于很多因素造成,最常见的是由于信号传输的带宽限制所导致的。无论是低通电路还是高通电路都会导致码间干扰。

首先来说一下低通电路对二进制随机信号造成的码间干扰是如何形成的。如下图(a)所示,当一个周期性方波信号通过一个低通滤波器时,其高频分量会被衰减,于是上升和下降的斜率都会减少,不能急剧上升或下降。

但是如果是一个随机二进制信号通过低通滤波器会如何呢?如下图(b)所示,如果输入信号是一个高电平(逻辑1)后面接着一个低电平(逻辑0)时,输出就会达不到 应该输出的高电平V0,但是如果刚好输入信号是一个高电平后面再接着一个高电平时,输出就可以达到V0(实际并一定会达到,只是针对下图表示的来说达到了)。反过来说,对于低电平的输入来说,也是同样的输出现象。这种  一个比特的输出电压 会由于 前后输出的信号的不同  而不同的现象,我们就称为码间干扰。简言之就是一个信号 前面和后面输出的信号 会干扰这个信号的输出电压。

这种现象不是我们所希望看到的,因为当信号的输出电压会由于前后面输出信号的不同而输出不同的电压时,会导致很难设定一个阈值电压来决定何为逻辑1何为逻辑0。例如,当阈值电压设为V0/2时,那么如下图(b)所示的t1t2这样的时间点时,很容易受到噪声的影响使得输出电压高于或低于阈值电压,从而导致判断错误。

如下图(a)所示,所有的输入二进制信号都可以是正阶跃信号和负阶跃信号的叠加。由于经过的是低通滤波器,所以如下图(b)每个阶跃信号在输出端只能是以指数形式上升或下降。由于指数形式上升下降没有那么快速,某一比特数据的输出电压会被前后比特数据的输出电压所影响。当低通滤波器的带宽越小,指数形式上升越慢,码间干扰就会越大。

为了直观地观察码间干扰的大小,于是发展出眼图这种工具来帮助观察。眼图就是将所有比特的输出电压都折叠在一个小的时间间隔里,例如在2比特数据的时间间隔里。举例说明,下图(a)是经过低通滤波器的一个二进制随机信号,该信号每一比特的时间长度为1ns该信号是在时域下画出的。如下图(b)所示,现在我们让示波器只能显示2ns时间的波形,而且每隔2ns触发一次,这样示波器上首先显示第一个2ns的波形,即t1t2的波形,接着触发,显示第二个2ns的波形,即t2t3的波形,接着又触发,显示第三个2ns波形,即t3t4的波形。每个波形都占据了整个示波器界面,同时由于示波器的余晖作用,我们可以看到这几个2ns的波形在示波器界面叠加起来了,得到了一个类似“眼睛”的图形,这就是眼图了。

这样我们就可以知道电路的非理想因素对输入信号造成的码间干扰会达到怎样的程度。电路的有限带宽是一种非理想因素,如果带宽无限大的话,就不会有上面指数形式的信号上升下降,而应该是阶跃上升下降,但是如果电路有无限带宽又会带来噪声的问题,所以需要折中,想要一个相对合适的带宽,这就可以根据眼图的开合来判断,看看造成的影响是否在可接受的范围内,是否需要加大带宽。

举个例子,当有一个1Gb/s的二进制随机信号通过一个-3dB带宽为300MHz的一阶低通滤波器时,由于这个低通滤波器引入的时间常数τ≈530ps,这样我们得到在低通滤波器输出端的电压为

如下图(a)所示,在这样的带宽限制下,当一个高电平后面接一个低电平时,输出电压只能达到V085%,如果一个高电平后面再接一个高电平时,能达到V097.7%,反过来说,对于低电平输入来说也是一样。然后我们让输出端每个2ns长度的电压信号叠加在一起,就可以得到如下图(b)所示的眼图,对于这样的眼图,我们可以说眼图的闭合程度为30%

高通电路同样也会对二进制随机信号造成码间干扰。如下图所示,当二进制随机信号通过一个高通滤波器时,信号的阶跃上升下降都能在输出端完好地呈现,但是当输入信号为很多个逻辑高电平时,输出信号的电压就会不断下降,这是由于高通滤波器将输入信号的低频分量滤除所导致的。这种现象也是一种码间干扰,某一比特的输出电压受到前后输出电压的影响,也会导致阈值电压难以取决。

眼图除了帮助我们直观地观察由于有限带宽导致的码间干扰,还能帮助我们观察到 由于电路中一些寄生参数对输入信号的幅度或者相位造成影响 所导致的码间干扰。下面举两个例子来说明,如下图(a),MOSM1的栅端输入二进制随机信号,漏端产生电流通过电阻RL。由于用于连接电源的键合金线(bond wire),其电感量有限,所以每次当M1关闭时,输出电压都会有一个脉冲上升(ringing)【楞次定律】,这个脉冲上升会对下一个输出电压造成影响。下图(b)提供了该电路的一个仿真眼图。

另外一个例子如下图(c)所示,当一个发射电路通过PCB板上的传输线来将信号传输到接收电路时。由于PCB板上一些不理想因素,如键合线电感,寄生电容,传输线阻抗和接收电路输入电阻的不匹配等等因素,会导致在另一端接收到的信号有严重的码间干扰。下图(d)显示了该电路的仿真眼图。

以上就是关于眼图的一些理论,如果需要在cadence中仿真,只需要仿真出该电路的时域波形,而后用calculator中的函数eyediagram来获得眼图。

Ps. 内容主要来源于拉扎维的Design of Intergrated Circuits for Optical Communication第二版第二章第四节的内容。如果个人理解有什么错误或者不恰当的地方,希望知道的朋友能指出来一下,让我学习一下,如果讲述得不清晰也可以评论一下。


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