Linux内核USB3.0驱动框架分析--USB Hub实现眼图信号输出方案

1，高速USB信号的眼图

眼图就是由多个周期的数字信号波形叠加而形成的图形，形状与眼睛类似，因此被称为眼图。数字信号的眼图能清楚反映互连设计是否导致不能容忍的误码率。在高速串行应用中，通行的做法是采用眼图验证串行链路是否满足系统的性能要求的。
　　对于高速USB信号的发送和接收，USB使用眼图来描述其各个位在传输时所需的电压幅值和时间安排。图1展示了高速USB系统的几个眼图测试点。其中，TP1和TP4对应USB接口芯片的相应管脚（D+和D-），它们分别被焊接在集线器和USB设备的电路板上；TP2对应A型连接器的D+和D-管脚；TP3对应B型连接器的D+和D-管脚（对于束缚电缆，其也可能是直接连接在电路板上）。
　　
图1 眼图测试点

USB定义了6种眼图模板，其中定义在集线器TP2点或在USB设备（使用非束缚电缆）TP3点处的眼图模板，表示接收高速USB信号时所需的电压分辨力，如图2所示。

图2 眼图模板

眼图的各项数据可以体现信号分析的性能指标。最主要的是通过眼的宽度、眼的高度、平均上升时间、下降时间、平均上升速率和下降速率（即斜率）这些指标能够体现信号的优劣程度。

图3 仿真眼图结果

2，眼图（Eye－Diagram）测试
眼图是非周期信号所特有的性质，周期信号是不能叠加出眼图的。由于High－Speed模式下一个USB数据包开始是同步的周期信号，故需要对示波器进行适当的设置才能正确捕获到眼图。

2.1 捕捉眼图
设置好后，出现一个完整的数据帧波形，如下图所示。

放大该图形的数据部分，即可得到眼图，如下图所示。

2.2 检查是否符合模版要求
在USB2.0标准中，不同的USB Cable及不同测试点，所满足的模版要求是不一致的。本例测试的测试点选在下图TP1。

单端信号高电平范围为360mV～440mV，单端信号低电平范围为-10mv～10mV，故理论的差分信号高电平范围为350mV～450mV， 理论差分信号低电平范围为－450mV～-350mV。但实际上眼图所给出的高低电平范围比理论范围要宽（分别为-575mV～-300mV和300mV～-575mV），这可能是考虑到信号在传输过程中的衰减及可能引入的噪声等原因。

按照规范，测试眼图结果应满足模板5（Template 5）。该模版如下标描述所示，通过Point1～Point6 6个点的坐标确定眼图的位置。

3，分析眼图信号

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。
3.1 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。

3.2 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。