USB眼图常识

最近一段时间，项目需求，需要对USB眼图进行摸底测试。测试过程很简单，然而debug之路却很不简单。不简单往往也就意味着带来了不少收获。

示波器跨接在接收滤波器的输出端，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，此时，示波器作为接收端会受到一连串的脉冲信号（000 001 010 011 100 101 110 111），这些信号叠加在一起，会形成类似人眼的图形。同时按照协会的要求，示波器带宽至少应该为1.5GHZ,最好是2GH或者2.5GHZ。

其主要用到了余辉方式累计叠加显示采集到串行信号的比特的结果，叠加后的图形形状也正是因为看起来和眼睛很像，所以被称为眼图。眼图表征了串行信号的比特信息，成为了衡量信号质量的重要工具。通过眼图，可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计信号完整性的优劣。

USB眼图的测量主要分为device与host。

USB host端：D+和D-各接一个15kΩ的下拉电阻；

USB device端：高速和全速D+接一个1.5kΩ电阻上拉到3.3V；低速在D-上接一个1.5kΩ电阻上拉到3.3V。高速chirp KJ握手（Chirp KJ的频率大概是10KHz）成功后，自动断开D+上的1.5kΩ上拉；当高速设备进入suspend时，使能D+上的1.5kΩ上拉到3.3V，退出suspend时，断开D+上的1.5k上拉。

集线器的全速驱动器和设备的全速驱动器在功能上等效成每个都是45Ω电阻，合成90Ω的差分电阻产生一个0系数的反射。这样才产生了cable的特征阻抗是90Ω的需求。

HS模式DP/DM对地单端阻抗为45Ω（由全速驱动器形成的一个阻抗为45Ω的终端电阻），串联的匹配电阻必须是0，否则眼图有问题；LS/FS的DP/DM上必须有大于0的匹配电阻。 HS模式DP/DM的DC-level是17.78mA x (45Ω//45Ω) = 17.78mA x 22.5Ω = 400mV，其中17.78mA是电流源（一般需要PHY外接参考电阻）， 所以差模电压是800mV。DC-level of LS/FS is 3.3V。

HS PHY DP/DM上串联10Ω电阻带来的信号完整性问题如下计算所示

Udevice = 17.78mA(45//(10+45)) = 440.1mV, Uhost = (45/(45+10))440.1 = 360.1mV

这也就是为何眼图最大与最小我们要控制在±400mV左右，以及不要轻易在D+ D-上电阻的原因。

看不懂没关系可暂时忽略，后面的文章，小编会重点介绍这些，建议那时再拐回来看这段内容。

眼图的测量参数不同于波形的测量参数，更多情况下是一种统计意义的测量，主要关注的测量参数有眼高，眼宽，眼抖动等。

眼高的测量

眼高反映的是眼图在垂直方向张开的程度。其测量方法是先在眼图的中心位置对眼图的电平分布进行统计，根据直方图分布出现概率最大的位置得到高电平（One Level）和低电平（Zero Level）的位置；然后再根据高低电平上的噪声分布情况各向内推3个西格玛（噪声的RMS值），从而得到眼高的测量结果。

眼图的抖动（Eye Jitter）测量

眼图的抖动反映的是信号的时间不确定性，抖动过大会减小信号的眼宽。眼图的抖动是指眼图交叉点附近的信号的水平抖动，可以用RMS或者Peak-Peak值来衡量。

模板,即事先把信号高低电平的范围要求以及抖动的范围等指标事先定义好，然后在此模板上生成眼图测试文件。

模板主要由三部分组成：

顶部区域定义了信号的最大幅度的要求。

底部区域定义了信号的最小幅度要求。

中间区域定义了对信号的眼图张开度的要求。

在进行眼图测试时，直接把眼图套在这个模板上，如果长时间的累计测量没有压在模板上，就说明信号质量基本满足了要求。

PASS

如果被测信号压在了测试模板上，说明被测信号质量存在明显的问题。

FAIL

Usb信号线的设计

在USB高速信号方面，我们往往喜欢在D+ D-端串电阻，电感或者并TVS管用以静电或者浪涌防护。由于属于高速信号(速率480Mbps，频率240MHZ)，因此对TVS管的选取也要慎重。TVS管具有结电容，结电容的容值要格外注意，在小白所做过的项目里，TVS管结电容容值往往选取1pf以下的容值。容值过大因RC延时的影响会使得眼图的睁开程度变小，进而可能压倒中间的模板。同时串阻的选取也要适当，因为其影响到眼高。

所以日常在针对眼图压模板的debug时，要尤为注意这方面影响。