如何将眼图模板测试与BER关联起来

shuszhao

过去要进行眼图模板测试，工程师是用油笔在模拟示波器的显示屏上绘制一个模板。接下来，他们需要用时钟信号触发示波器，调长迹线存续时间，如果略图内部是暗色，则信号通过测试。后来，就在实时和等时数字示波器中使用了定义良好的模板。
过去要进行眼图模板测试，工程师是用油笔在模拟示波器的显示屏上绘制一个模板。接下来，他们需要用时钟信号触发示波器，调长迹线存续时间，如果略图内部是暗色，则信号通过测试。后来，就在实时和等时数字示波器中使用了定义良好的模板。模板内的亮点像素是不好的情况。现代模板测试规定了大量波形中允许的最大“触碰”数。
虽然眼图模板测量提供了一种快速判断发送器是否工作的方法，但对于唯一重要的事：误码率（BER，比特错误数与总传输比特数之比），却没提到多少。图1显示了一个眼图中的模板，其中没有波形进入模板。
图1：没有故障的眼图模板测试。眼图由Teledyne LeCroy提供，绿色模板由Ransom Stephens绘制。
Teledyne LeCroy的Marty Miller在DesignCon 2018发言中提出了一种巧妙的观点——将眼图模板测量与BER轮廓（contour）测量关联起来。


BER轮廓

BER轮廓就像显示等高线轮廓的地形图。 BER轮廓测量显示具有相同BER轮廓的眼图。
图2 ：BER轮廓图，不变的颜色表示BER（t、V）恒定的区域。图片由Teledyne-LeCroy提供。
也可以将它们想成是一个三维浴缸图。在浴缸图（图3）中，BER是采样点时间延迟位置BER（t）的函数。BER轮廓包括时延和电压（或功率）两种情况下采样点不同位置的BER变化，BER轮廓是BER（t、V）=常数的解。
图3：浴缸图，BER（t）是采样点的函数。由Ransom Stephens绘图。
Miller博士指出，实际采样器的BER不是任何点（t、V）的BER，它不是BER轮廓边沿或BER轮廓内某点的BER。相关的BER是采样器时序分辨率和电压灵敏度所包含的总BER。
接收机的带宽设定了时序分辨率——采样一个比特所需的时间——也就是我们所说的建立和保持时间。电压灵敏度是采样器能可靠区分的逻辑1和0之间的最小峰-峰值电压摆幅。用采样器的时序分辨率给出的半长轴和电压灵敏度给出的半短轴画一个小椭圆，采样器分辨率/灵敏度的实际几何结构是变化的，但显而易见的猜测是椭圆结构。高速串行应用中典型电压限制器的时序分辨率为几ps，电压灵敏度约为30mV（图4）。
图4：带采样“点”的眼图，包括采样器水平时序分辨率和垂直电压灵敏度。眼图由Teledyne LeCroy提供，灰色采样“点”由Ransom Stephens绘制。


模板误差比

Miller博士将模板误差比（MER）定义为：单位间隔宽度内单个位的波形进入模板的次数与传输的总位数之比（图5）。由于单个位的波形可能引起很多次模板触碰但只有一个模板误差，所以MER与模板触碰数不同。
图5：模板测试有很多次“触碰”，但仅有两个“模板误差”。眼图由Teledyne LeCroy提供，绿色模板和红色模板误差由Ransom Stephens绘制。
我们可以将MER看作是真正的逻辑解码器会得到的BER，其时序分辨率和电压灵敏度由模板区域定义。
为了将BER轮廓与MER相关联，Miller博士研究了四种情况。首先，在从眼图中心垂直往上到1E-4 BER轮廓的时间坐标上，模板较薄。该模板对应一个采样器，其零（即，完美）时序分辨率和电压灵敏度是由从眼图中心到1E-4轮廓的电压摆动决定的。在这种特殊情况下，BER与MER大致相同。
其次，将该模板向下延伸，使其从BER = 1E-4轮廓底部到顶部基本上成为一个垂直薄矩形。对于该模板，MER = 2E-4，是BER轮廓值的两倍。在模板顶部，1被误认为0，在模板底部，0被误认为1；通过大量取样，我们得到的误差是1E-4轮廓顶部或底部理想采样点的两倍。
在第三个实验中，将模板旋转90度。这本质上是一个具有完美电压灵敏度的采样器，但其时序分辨率水平穿过BER = 1E-4轮廓。因为类似的原因，该实验也得出了MER = 2E-4。
到目前为止，我们所做的只是测量一些简单的情况，显示了非零时序分辨率和电压灵敏度如何导致实际采样器的BER大于或等于相关的BER轮廓。
在第四个测试中，Miller博士定义了一个与BER = 1E-4轮廓一致的模板，模板由BER = 1E-4轮廓包围的闭合曲线定义。他测量的结果是MER = 6.27E-4。除了单个位误差的不相关程度，6.27这个因数不太可能表达其它任何含义。
让我们重新考虑一下如何将良好的旧模板测试与系统的BER性能联系起来。假设我们有一组通过相同模板测试的接收器，Miller博士总结说，没有明显可用的方法可以使用模板测试来预测最大BER性能，从本质上验证最近发布的标准从模板测试转向针对BER定义的眼高（EH）和眼宽（EW）测量的有效性。
Miller说，“模板测试更复杂，并且就其常见形式来说，可能并非决定通道性能（例如有效BER）的真正客观标准。垂直和水平薄模板实验表明，针对BER，眼高和眼宽概念可能是更好的度量标准。”

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