Hi。小杜作為PCIe數字驗證工程師，工作中接觸到了PCIe Compliance、Margin測試，這兩個測試都涉及到了高速信號"眼圖"的概念。本文小杜來介紹一下怎么看眼圖，從而理解Compliance、Margin測試到底在測什么。小杜經驗尚淺，如有錯誤，還請批評指正。

什么是眼圖?

眼圖(Eye Diagram)是一種用于分析高速數字信號傳輸質量的重要工具。通過在示波器上重疊多個周期的信號波形，生成一個形狀類似于眼睛的圖形，這就是眼圖。眼圖能夠直觀地展示信號的完整性、抖動和噪聲等關鍵參數。通過觀察眼圖的開口大小和形狀，工程師可以評估信號傳輸的質量和穩定性，識別并解決潛在的信號完整性問題，從而確保高速數據傳輸鏈路(如PCIe)的可靠性。

比如下圖就是PCIe NRZ眼圖和PAM-4眼圖。???

一般來說，眼圖張得越開，傳輸過程的誤碼率(BER, Bit Error Rate)也就越低。誤碼率非常重要，每位工程師都渴望誤碼率為0! 誤碼率：接受到的錯誤比特數 / 總傳輸比特數

如何看眼圖?

眼圖分為X軸和Y軸，其中Y軸表示電壓幅度，X軸表示時間。相信看完本文你也能看懂X軸和Y軸的信息啦!??????????

不過在介紹下面內容之前，需要了解單位間隔(UI)的概念。UI 定義為一個數據位寬，與數據速率無關。例如，在 9.8 Gbps 數據流中，一個 UI 相當于 102 ps。對于 2.0 Gbps 數據流，一個 UI 相當于 500 ps。一個眼圖一般會顯示2個UI，左側1/2UI展示半個眼圖，中間1個UI展示完整眼圖，右側1/2UI展示半個眼圖。好了，讓我們正式開始介紹眼圖的Y軸和X軸。

眼圖的電壓幅度(Y軸)

Y軸涉及到的主要概念包括："1"電平/"0"電平、眼圖幅度、高度以及眼圖交叉百分比。

- "1"電平(One Level)和"0"電平(Zero Level)

"1"電平為眼圖頂部中間20% UI(也稱為40%到60%區域)內捕獲的所有數據樣本的直方圖平均值。同"1"電平，"0"電平是眼圖底部中間20%UI內捕獲的所有數據樣本的直方圖平均值。

- 眼睛幅度和高度

眼圖幅度："1"電平和 "0"電平之間的差值。使用的計算值是所示兩個直方圖的平均值，在眼圖交叉的中間 20% 區域內測量。

眼圖高度：通過計算"1"電平和"0"電平直方圖內部3s點之間的差值。

- 眼圖交叉百分比

眼圖交叉百分比是相對于 1 和 0 電平的交叉點幅度的度量。它清楚地表明了系統數據脈沖對稱性的表現如何。

比如下圖，當"1"和"0"電平對稱性變差，眼圖交叉百分比就會偏離50%。當眼圖交叉對稱性值偏離是完美的50%時，眼睛大且對稱，從而降低誤碼率。

- 信噪比

信噪比(SNR, Signal-to-Noise Ratio)是衡量信號質量的一個重要參數。它表示信號相對于噪聲的強度，信噪比越高，意味著信號質量越好，噪聲對信號的影響越小。在眼圖中，信噪比可以定義為信號的有效電壓(通常是信號的峰峰值電壓)與噪聲電壓的比值。噪聲電壓是指在信號傳輸過程中疊加在信號上的不期望的電壓變化。

在眼圖中，垂直開口越大，表示信號電壓相對于噪聲電壓的差距越大，信噪比越高。眼圖中的噪聲帶寬越窄，表示噪聲電壓越小，信噪比越高。常見的噪聲源包括電源噪聲、環境電磁干擾、PCB布局等都會影響噪聲電壓。

下面這張圖展示一個信噪比很差的眼睛，可以看出下圖眼睛的眼皮非常”模糊“。

眼圖時間軸(X軸)

在眼圖中，X軸表示時間軸，是用于展示信號在不同時間點的變化情況。通過在示波器上重疊多個信號周期，時間軸上會顯示出一個周期內所有可能的信號過渡情況。

- 抖動

抖動是指信號過渡時間(如上升沿或下降沿)的隨機或周期性變化。抖動會導致信號過渡點的不確定性和不穩定性。抖動可以是由由隨機噪聲引起的隨機抖動，其呈高斯分布，也可以是由系統性的干擾或模式引起確定性抖動。抖動會縮小眼圖的水平開口，降低時間裕度，使接收端更難準確采樣信號，進而影響數據傳輸的可靠性。

- 上升時間和下降時間

上升時間是指信號從低電平過渡到高電平所需的時間，比如下圖中20%電壓值過渡到80%電壓值。上升時間過長會導致信號邊沿變得緩慢，可能導致碼間干擾(ISI)，影響信號的頻率響應和系統的傳輸速度。同理下降時間。

- 眼寬

眼寬表示在一個比特周期內，信號的穩定時間窗口。具體來說，眼寬是在垂直軸上選定一個電壓閾值水平時，信號在水平軸上的時間開口。它反映了信號在給定電壓水平下的時間裕度(時間容忍度)。 眼寬越大，表示信號抖動越小，時間裕度越大。信號在接收端能夠穩定采樣的時間窗口越寬，系統的可靠性和性能越好。較大的眼寬意味著接收端有更大的容錯時間，能夠在正確的時間點采樣到有效信號，從而降低誤碼率。同時，較大的眼寬表明信號對抖動和噪聲的敏感性較低，系統具有更好的抗干擾能力。

- 占空比失真

占空比失真是指理想方波信號的高電平和低電平持續時間的不對稱性。理想情況下，高電平和低電平的時間應相等，但由于各種原因，這種對稱性可能會被破壞。占空比失真會導致信號周期內的時間分布不均，影響信號的采樣點，可能引起碼間干擾(ISI)，并增加接收端的誤碼率。當眼圖交叉對稱值偏離理想的 0% DCD 值時，眼圖會閉合，從而降低 BER。

眼圖的應用

掩膜合規性測試 (Mask Compliance Testing)??

眼圖 Mask Compliance 測試是高速信號傳輸中一種重要的驗證方法，用于評估信號是否符合特定標準和規范。通過對眼圖中的信號波形進行分析，并將其與預定義的掩膜(mask)進行比較，工程師可以確定信號傳輸的質量和可靠性。

掩膜：一個在眼圖中定義的區域，通常由一系列直線和曲線組成，形成一個閉合的形狀。信號波形不應侵入這個掩膜區域，否則視為不合格。 信號波形完全在掩膜區域外，表示信號質量符合標準要求，傳輸可靠性高。而如果信號波形侵入掩膜區域，表示信號質量存在問題，可能需要優化PCB布局、改進信號完整性或調整系統參數。

掩膜裕度測試 (Mask Margin Test)

眼圖 Margin Test 是一種用于評估高速數字信號傳輸可靠性和性能的測試方法。通過這項測試，工程師能夠確定信號在不同條件下的容限(margin)，即在各種噪聲、抖動和其他干擾因素存在時，系統仍然能可靠傳輸數據的能力。PCIe制造商可以通過測試通過的裕度的多少來監控和優化其生產過程。

感謝你耐心地看到這里，PCIe物理層的Compliance測試和Margin測試就是對高速串行線的眼圖的測試，只有Compliance測試完美通過，Margin測試出的裕量滿足要求，才能有信心相信設備能夠很好的傳輸信息。小杜在此祝愿每個工程師都能得到一個完美的"眼睛"!