眼圖測量

眼圖是一系列數位訊號在示波器上累積而顯示的圖形，它包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，體現了數位訊號整體的特徵，從而估計系統優劣程度，因而眼圖分析是高速互連繫統信號完整性分析的核心。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾，改善系統的傳輸性能。

用一個示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然後調整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時示波器螢幕上看到的圖形就稱為眼圖。示波器一般測量的信號是一些位或某一段時間的波形，更多的反映的是細節信息，而眼圖則反映的是鏈路上傳輸的所有數位訊號的整體特徵。

中文名稱	眼圖測量
英文名稱	eye diagram measurement
定　　義	對符號波形序列所顯示的眼圖性能參數進行度量的過程。
套用學科	通信科技（一級學科），通信計量（二級學科）

基本介紹

• 中文名：眼圖測量
• 外文名：Eye Diagram或Eye Pattern
• 又稱：模版測試
• 定義：數位訊號在示波器上而顯示的圖形
• 狀態：8種
• 套用學科：計算機技術

基本概念

什么是眼圖

“眼圖就是象眼睛一樣形狀的圖形。”眼圖是用餘輝方式累積疊加顯示採集到的串列信號的比特位的結果，疊加後的圖形形狀看起來和眼睛很像，故名眼圖。眼圖上通常顯示的是1.25UI的時間視窗。眼睛的形狀各種各樣，眼圖的形狀也各種各樣。通過眼圖的形狀特點可以快速地判斷信號的質量。

由於眼圖是用一張圖形就完整地表征了串列信號的比特位信息，所以成為了衡量信號質量的最重要工具，眼圖測量有時侯就叫“信號質量測試（Signal Quality Test,SQ Test）”。 此外，眼圖測量的結果是合格還是不合格，其判斷依據通常是相對於“模板（Mask）”而言的。模板規定了串列信號“1”電平的容限，“0”電平的容限，上升時間、下降時間的容限。所以眼圖測量有時侯又被稱為“模板測試（Mask Test）”。 模板的形狀也各種各樣，通常的NRZ信號的模板如圖五和圖八藍色部分所示。在串列數據傳輸的不同節點,眼圖的模板是不一樣的，所以在選擇模板時要注意具體的子模板類型。 如果用傳送端的模板來作為接收端眼圖模板，可能會一直碰模板。但象乙太網信號、E1/T1的信號，不是NRZ碼形，其模板比較特別。當有比特位碰到模板時，我們就認為信號質量不好，需要調試電路。有的產品要求100%不能碰模板，有的產品是允許碰模板的次數在一定的機率以內。

在無碼間串擾和噪聲的理想情況下，波形無失真，每個碼元將重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線又細又清晰的“眼睛”，“眼”開啟得最大。當有碼間串擾時，波形失真，碼元不完全重合，眼圖的跡線就會不清晰，引起“眼”部分閉合。若再加上噪聲的影響，則使眼圖的線條變得模糊，“眼”開啟得小了，因此，“眼”張開的大小表示了失真的程度，反映了碼間串擾的強弱。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串擾和噪聲的影響，可評價一個基帶傳輸系統性能的優劣。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾和改善系統的傳輸性能。

原理

行程原理

如果示波器的整個顯示螢幕寬度為100ns，則表示在示波器的有效頻寬、取樣率及記憶體配合下，得到了100ns下的波形資料。但是，對於一個系統而言，分析這么短的時間內的信號並不具有代表性，例如信號在每一百萬位元會出現一次突波（Spike），但在這100ns時間內，突波出現的機率很小，因此會錯過某些重要的信息。如果要衡量整個系統的性能，這么短的時間內測量得到的數據顯然是不夠的。構想，如果可以以重複疊加的方式，將新的信號不斷的加入顯示螢幕中，但卻仍然記錄著前次的波形，只要累積時間夠久，就可以形成眼圖，從而可以了解到整個系統的性能，如串擾、噪聲以及其他的一些參數，為整個系統性能的改善提供依據。分析實際眼圖，再結合理論，一個完整的眼圖應該包含從“000”到“111”的所有狀態組，且每一個狀態組發生的次數要儘量一致，否則有些信息將無法呈現在螢幕上，圖示為八種狀態形成的眼圖：

八種狀態形成的眼圖

由上述的理論分析，結合示波器實際眼圖的生成原理，可以知道一般在示波器上觀測到的眼圖與理論分析得到的眼圖大致接近（無串擾等影響），圖示為示波器實際觀測到的眼圖。

示波器觀測到的眼圖

示波器觀測到的不完整眼圖

如果這八種狀態組中缺失某種狀態，得到的眼圖會不完整，圖為示波器觀測到的不完整的眼圖：

通過眼圖可以反映出數字系統傳輸的總體性能，可是怎么樣才能正確的掌握其判斷方法呢？這裡有必要對眼圖中所涉及到的各個參數進行定義，了解了各個參數以後，其判斷方法很簡單。

參數定義

相關的眼圖參數有很多，如眼高、眼寬、眼幅度、眼交叉比、“1”電平，“0”電平，消光比，Q因子，平均功率等，各個參數如下圖所示：

參數圖

參數

和眼圖相關的眼圖參數有很多，如眼高、眼寬、眼幅度、眼交叉比、“1”電平，“0”電平，消光比，Q因子，平均功率等。

“1”電平和”0”電平表示選取眼圖中間的20%UI部分向垂直軸投影做直方圖，直方圖的中心值分別為“1”電平和“0”電平。

眼幅度表示“1”電平信號分布與“0”電平信號分布平均數之差，其測量是通過在眼圖中央位置附近區域（通常為零點交叉時間之間距離的20%）分布振幅值進行的。眼幅度表示“1”電平減去“0”電平。

眼寬反映信號的總抖動，即是眼圖在水平軸所開的大小，其定義為兩上緣與下緣交匯的點（Crossing Point）間的時間差。交叉點之間的時間是基於信號中的兩個零交叉點處的直方圖平均數計算而來，每個分布的標準偏差是從兩個平均數之間的差值相減而來。

眼高即是眼圖在垂直軸所開的大小，它是信噪比測量，與眼圖振幅非常相似。上下直方圖的3sigm之差表示眼高。

操作步驟

眼圖測量的基本步驟:

1、按照捕獲信號的基本原則(過採樣、最小化量化誤差、捕獲足夠長的時間)實現對信號的高保真捕獲;

2、設定合適的PLL;

3、設定眼圖的模板和子模板;

4、測量相關眼圖參數。

測量方法

眼圖測試是高速串列信號物理層測試的一個重要項目。眼圖是由多個比特的波形疊加後的圖形，從眼圖中可以看到:數位訊號1電平、0電平，信號是否存在過沖、振鈴，抖動是否很大，眼圖的信噪比，上升/下降時間是否對稱(占空比)。眼圖反映了大數據量時的信號質量，可以最直觀地描述高速數位訊號的質量與性能。

傳統眼圖測量方法用中文來理解是8個字:“同步觸發+疊加顯示”，現代眼圖測量方法用中文來理解也是8個字:“同步切割+疊加顯示”。兩種方法的差別就4個字:觸發、切割，傳統的是用觸發的方法，現代的是用切割的方法。“同步”是準確測量眼圖的關鍵，傳統方法和現代方法同步的方法是不一樣的。“疊加顯示”就是用模擬餘輝的方法不斷累積顯示。傳統的眼圖方法就是同步觸發一次，然後疊加一次。每觸發一次，眼圖上增加了一個UI，每個UI的數據是相對於觸發點排列的，每觸發一次眼圖上只增加了一個比特位。

其他概念

消光比

消光比（Extinction Ratio）定義為眼圖中“1”電平與“0”電平的統計平均的比值，其計算公式可以是如下的三種：

消光比在光通信發射源的量測上是相當重要的參數，它的大小決定了通信信號的品質。消光比越大，代表在接收機端會有越好的邏輯鑑別率；消光比越小，表示信號較易受到干擾，系統誤碼率會上升。

消光比直接影響光接收機的靈敏度，從提高接收機靈敏度的角度希望消光比儘可能大，有利於減少功率代價。但是，消光比也不是越大越好，如果消光比太大會使雷射器的圖案相關抖動增加。因此，一般的對於 FP/DFB 直調雷射器要求消光比不小於 8.2dB ，EML電吸收雷射器消光比不小於10dB。一般建議實際消光比與最低要求消光比大 0.5~1.5dB。這不是一個絕對的數值，之所以給出這么一個數值是害怕消光比太高了，傳輸以後信號劣化太厲害，導致誤碼產生或通道代價超標。

眼交叉比

眼圖交叉比，是測量交叉點振幅與信號“1”及“0”位準之關係，因此不同交叉比例關係可傳遞不同信號位準。一般標準的信號其交叉比為50%，即表示信號“1”及“0”各占一半的位冷。為了測量其相關比率，使用如下圖所示的統計方式。交叉位準依據交叉點垂直統計的中心視窗而計算出來的平均值，其比例方程式如下（其中的1及0位準是取眼圖中間的20%為其平均值，即從40%~60%中作換算）：

不同交叉比例關係眼圖

隨著交叉點比例關係的不同，表示不同的信號1或0傳遞質量的能耐。如下圖所示，左邊圖形為不同交叉比例關係的眼圖，對應到右邊相關的1及0脈衝信號。同時也可以了解到在不同脈衝信號時間的寬度與圖交叉比例的關係。

不同叫擦汗比與脈衝信號的關係圖

圖 不同眼交叉比與脈衝信號的關係

對於一般的信號而言，平均分布信號位準1及0是最常見的。一般要求眼圖交叉比為50%，即以相同的信號脈衝1與0長度為標準，來作相關參數的驗證。因此，根據眼交叉比關係的分布，可以有效地測量因不同1及0信號位準的偏差所造成的相對就振幅損失分析。例如，眼交叉比過大，即傳遞過多1位準信號，將會依此交叉比關係來驗證信號誤碼、禁止及其極限值。眼交叉比過小，即傳遞過多0位準信號，一般容易造成接收端信號不易從其中抽取頻率，導致無法同步，進而產生同步損失。

計算公式

一般測量上升及下降時間是以眼圖占20%～80%的部分為主，其中上升時間如下圖，分別以左側交叉點左側(20%)至右側(80%)兩塊水平區間作此傳遞信號上升斜率時間之換算，計算公式如下：

下降時間=平均(20%時間位準)-平均(80%時間位準)

眼圖信號下降時間

圖 眼圖信號下降時間

如同上升時間一般，如果下降時間愈短，亦愈能表現出眼圖中間的白色區塊，可以傳遞的信號及容忍誤碼比率愈好。

Q因子

Q因子（Q Factor）用於測量眼圖信噪比的參數，它的定義是接收機在最佳判決門限下信號功率和噪聲功率的比值，可適用於各種信號格式和速率的數位訊號，其計算公式如下：

其中，“1”電平的平均值 與“0”電平的平均值

的差為眼幅度，“1”信號噪聲有效值 與“0”信號噪聲有效值 之和為信號噪聲有效值。

Q因子綜合反映眼圖的質量問題。Q因子越高，眼圖的質量就越好，信噪比就越高。Q因子一般受噪聲、光功率、電信號是否從始端到終端阻抗匹配等因素影響。一般來說，眼圖中1電平的這條線越細、越平滑，Q因子越高。在不加光衰減的情況下，傳送側光眼圖的Q因子不應該小於12，接收測的Q因子不應該小於6 。

平均功率

通過眼圖反映的平均功率，即是整個數據流的平均值。與眼圖振幅測量不同，平均功率則是直方圖的平均值。如果數據編碼正常工作，平均功率應為總眼圖振幅的50%。

抖動

抖動是在高速數據傳輸線中導致誤碼的定時噪聲。如果系統的數據速率提高，在幾秒內測得的抖動幅度會大體不變，但在位周期的幾分之一時間內測量時，它會隨著數據速率成比例提高，進而導致誤碼。因此，在系統中儘可能的減少這種相關抖動，提升系統總體性能。

抖動，描述了信號的水平波動，即信號的某特定時刻相對於其理想時間位置上的短期偏離，示意圖如下：

抖動示意圖

示波器觀測到的抖動如下圖所示。圖中為抖動大的眼圖的交點，其直方圖是一個像素寬的交點塊投射到時間軸上的投影。理想情況下應該為一個點，但由於碼元的水平波動，導致其形成了一個區域。

抖動的眼圖交點

圖 抖動的眼圖交點

器件生成的固有抖動稱為抖動輸出。其主要來源可以分為兩個：隨機抖動(RJ)和確定性抖動(DJ)，其中確定性抖動(Deterministic Jitter)又可以分為周期性抖動（Periodic Jitter）、占空比失真（Duty Cycle Distortion）、碼間干擾（Inter-Symbol Interference）和串擾。DCD源自時鐘周期中的不對稱性。ISI源自由於數據相關效應和色散導致的邊沿回響變化。PJ源自周期來源的電磁撿拾，如電源饋通。串擾是由撿拾其它信號導致的。DJ的主要特點是，其峰到峰值具有上下限。DCD和ISI稱為有界相關抖動，Pj和串擾稱為不相關有界抖動，而RJ稱為不相關無界抖動。另外，抖動分布是RJ和DJ機率密度函式的卷積。

分析抖動以及其具體產生原因將有助於在系統設計時儘可能的減少抖動產生的影響，同時可以確定抖動對BER的影響，並保證系統BER低於某個最大值，通常是 。因此，抖動的形成原因直觀的表示如下圖：

抖動形成原因

系統性能

當接收信號同時受到碼間串擾和噪聲的影響時，系統性能的定量分析較為困難，一般可以利用示波器，通過觀察接收信號的“眼圖”對系統性能進行定性的、可視的估計。由眼圖可以觀察出符號間干擾和噪聲的影響，具體描述如下：

眼圖與系統性能關係圖

圖 眼圖與系統性能的關係

眼圖對於展示數位訊號傳輸系統的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串擾的大小和噪聲的強弱，有助於直觀地了解碼間串擾和噪聲的影響，評價一個基帶系統的性能優劣；可以指示接收濾波器的調整，以減小碼間串擾，如：

眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串擾的強弱。“眼睛”張的越大，且眼圖越端正，表示碼間串擾越小；反之表示碼間串擾越大。當存在噪聲時，噪聲將疊加在信號上，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時存在碼間串擾 ，“眼睛”將張開得更小。與無碼間串擾時的眼圖相比，原來清晰端正的細線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串擾越大，眼圖越不端正。

理論分析得到如下幾條結論，在實際套用中要以此為參考，從眼圖中對系統性能作一論述：

（1）最佳抽樣時刻應 在 “眼睛” 張開最大的時刻。

（2）對定時誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。斜率越大，對定時誤差就越靈敏。

（3）在抽樣時刻上，眼圖上下兩分支陰影區的垂直高度，表示最大信號畸變。

（4）眼圖中央的橫軸位置應對應判決門限電平。

（5）在抽樣時刻，上下兩分支離門限最近的一根線跡至門限的距離表示各相應電平的噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就可能發生錯誤判決。

（6）對於利用信號過零點取平均來得到定時信息的接收系統，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區域的大小表示零點位置的變動範圍，這個變動範圍的大小對提取定時信息有重要的影響。

誤碼率

在數字電路系統中，傳送端傳送出多個比特的數據，由於多種因素的影響，接收端可能會接收到一些錯誤的比特（即誤碼）。錯誤的比特數與總的比特數之比稱為誤碼率，即Bit Error Ratio，簡稱BER。誤碼率是描述數字電路系統性能的最重要的參數。在GHz比特率的通信電路系統中（比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求BER小於或等於 。誤碼率較大時，通信系統的效率低、性能不穩定。影響誤碼率的因素包括抖動、噪聲、信道的損耗、信號的比特率等。

在誤碼率（BER）的測試中，碼型發生器會生成數十億個數據比特，並將這些數據比特傳送給輸入設備，然後在輸出端接收這些數據比特。然後，誤碼分析儀將接收到的數據與傳送的原始數據一位一位進行對比，確定哪些碼接收錯誤，隨後會給出一段時間內內計算得到的BER。考慮誤碼率測試的需要，我們以下面的實際測試眼圖為參考，以生成BER圖，參考眼圖如下所示：

BER圖

圖 參考眼圖

BER圖是樣點時間位置BER(t)的函式，稱為BERT掃描圖或浴缸曲線。簡而言之，它是在相對於參考時鐘給定的額定取樣時間的不同時間t上測得的BER。參考時鐘可以是信號發射機時鐘，也可以是從接收的信號中恢復的時鐘，具體取決於測試的系統。以上述的眼圖為參考，眼睛張開度與誤碼率的關係以及其BER圖如下：

眼睛張開度與誤碼率關係圖

圖 眼睛張開度與誤碼率的關係

BER（T）掃描或浴缸曲線圖

圖 BER(T)掃描或浴缸曲線

上述兩圖中，BER圖與眼圖時間軸相同，兩側與眼圖邊沿相對應，樣點位於中心。BER一定時，曲線之間的距離是該BER上的眼圖張開程度。在樣點接近交點時，抖動會導致BER提高到最大0.5。

生成探討

一般而言，生成眼圖需要通過測量大量的數據，然後再從其中恢復得到。示波器測量眼圖中，經過前期的數據採集，其記憶體中可以獲得完整的數據記錄。然後，利用硬體或者軟體對時鐘進行恢復或提取得到同步時鐘信號，用此時鐘信號與數據記錄中的數據同步到每個比特，通過觸發恢復的時鐘，把數據流中捕獲的多個1 UI(單位間隔，相當於一個時鐘周期)的信號重疊起來，也即將每個比特的數據波形重疊，最後得到眼圖。示波器眼圖的形成示意圖如下：

眼圖形成原理圖

圖 示波器眼圖的形成原理

從上面的形成原理圖中可以看出，通過用恢復的時鐘信號等間隔的觸發數據記錄中的信號，將這些截取到的單位UI波形疊加在一起，就形成了眼圖。

通過以上的分析，從採集到的數據中恢復出時鐘信號對於眼圖的生成至關重要。因此，眼圖與CLK的關係如下：

（1）採樣示波器的CLK通常可能是用戶提供的時鐘，恢復時鐘，或者與數據信號本身同步的碼同步信號.

（2）實時示波器通過一次觸發完成所有數據的採樣，不需附加的同步信號和觸發信號。通常通過軟體PLL方法恢復時鐘.

因此，這裡有必要介紹下時鐘恢復電路的功能（參考英文如下）：

„ Clock and Data Recovery (CDR) circuit functions:

„ First to recover the clock signal (CR) from the received data stream (input signal).

„ Use the CR to perform timing and amplitude-level decisions on the incoming signal.

„ Regenerate the data stream (DR), with timing and amplitude characteristics, synchronized with the recovered clock (CR) or regenerated system clock.

譯為：

（1）從接收到的數據流中恢復出原採樣時鐘信號

（2）利用恢復的時鐘信號來衡量輸入信號的時間、幅度等級等性能

（3）在輸入信號的時間和幅度等特性基礎上重新生成數據流，並且與恢復的時鐘信號或重新生成的系統時鐘同步。

目前，對於時鐘恢復的方法，大多數用到的是基於鎖相環的時鐘恢複方法。鎖相環包括鑒相器（phase detector）、環路濾波器（loop filter）、壓控振盪器（voltage controlled oscillator，簡稱VCO）三個基本部分組成，其基本的原理框圖如下所示：

鎖相環原理框圖

圖 鎖相環原理框圖

總體而言，鎖相環對於時鐘恢復的重要性可以體現在以下幾個方面：

（1）完全集成的，並且不需要外部的參考時鐘信號

（2）確保時鐘信號與數據同步

（3）對時鐘信號提供監視功能，當鎖相環失鎖時提供警報

（4）最佳化誤碼率——調整關於數據信號的時鐘相位

參考來自下述文章：

„ Phase-Locked Loop (PLL) necessary for clock recovery:

„ Fully integrated and does not require an external reference clock.

„ Ensure alignment of the clock with the middle of a data word.

„ Monitors the CR and provides a Loss-of-Lock (LOL) alarm when the PLL loses lock.

„ for Optimized bit error rate (BER) – adjust clock phase relative to the data signal.

測試高速串列數據信號的眼圖與抖動的儀器都使用了基於鎖相環的時鐘恢複方法。其中，實時示波器主要使用軟體PLL來恢復參考時鐘，取樣示波器和誤碼率測試儀都使用硬體PLL來恢復時鐘。採用軟體恢復時鐘方法，捕獲長數據波形，將數據與恢復時鐘逐位比較，完成眼圖、抖動、誤碼率測試。可分析捕獲的串列數據的每一個Bit位，避免了觸發抖動和硬體恢復時鐘抖動導致的測量不精確，CDR抖動和觸發抖動理論為0。

目前，泰克提供的眼圖生成方案：

（1） 從數據恢復時鐘（CDR），眼圖模板測試：可以分為硬體CDR（PLL）和軟體CDR（PLL+其它）

（2） 測量眼圖的眼高、眼寬等關於眼圖的參數

（3） 根據上面測量到的數據，繪製相關的圖形：

抖動：趨勢，頻譜,
直方圖, 浴盆曲線

根據上述的方案概況，硬體的時鐘恢復原理如下框圖所示：

泰克硬體時鐘恢複方案框圖

圖 泰克硬體時鐘恢複方案框圖

在實時示波器中，通常使用連續比特位的眼圖生成方法。首先，示波器採集到一長串連續的數據波形；然後，使用軟體CDR恢復時鐘，用恢復的時鐘切割每個比特的波形，從第1個、第2個、第3個、一直到第n-1個、第n個比特；最後一步是把所有比特重疊，得到眼圖。其中，實時的眼圖生成方法如下：

„ 軟體時鐘恢復

„ 眼圖參數測量

„ 全系列標準專用參數測量，包括幅度、定時和抖動

„ 低抖動低噪聲

„ 單觸發事件，而不是ET方法中的多觸發事件，即觸發一次後連續採樣，減少了可能引入的抖動、噪聲

„ 支持不同的時鐘恢復模型

„ 鎖相環 (PLL)

„ 相位內插重複取樣 (恆定時鐘, 連續位)

„ 數據相關分析

„ 把跳變位與非跳變位分開

„ 碼型長度檢測，進行抖動分析 (Rj/Dj分離)