問題:

什么是眼圖？它用在什么場合？反映了波形的什么信息？

解答:

眼圖（Eye Diagram）可以顯示出數字信號的傳輸質量，經常用于需要對電子設備、芯片中串行數字信號或者高速數字信號進行測試及驗證的場合，歸根結底是對數字信號質量的一種快速而又非常直觀的觀測手段。消費電子中，芯片內部、芯片與芯片之間經常用到高速的信號傳輸，如果對應的信號質量不佳，將導致設備的不穩定、功能執行錯誤，甚至故障。眼圖反映的是數字信號受物理器件、信道的影響，工程師可以通過眼圖，迅速得到待測產品中信號的實測參數，并且可以預判在現場可能發生的問題。

1、眼圖的形成

對于數字信號，其高電平與低電平的變化可以有多種序列組合。以3個bit為例，可以有000-111共8中組合，在時域上將足夠多的上述序列按某一個基準點對齊，然后將其波形疊加起來，就形成了眼圖。如圖1。對于測試儀器而言，首先從待測信號中恢復出信號的時鐘信號，然后按照時鐘基準來疊加出眼圖，最終予以顯示。

圖1.眼圖的形成

2、眼圖中包含的信息

對于一幅真實的眼圖，如圖2，首先我們可以看出數字波形的平均上升時間(Rise Time)、下降時間(Fall Time)、上沖(Overshoot)、下沖(Undershoot)、門限電平(Threshold/Crossing Percent)等基本的電平變換的參數。

圖2.電平變換參數

信號不可能每次高低電平的電壓值都保持完全一致，也不能保證每次高低電平的上升沿、下降沿都在同一時刻。如圖3，由于多次信號的疊加，眼圖的信號線變粗，出現模糊(Blur)的現象。所以眼圖也反映了信號的噪聲和抖動：在縱軸電壓軸上，體現為電壓的噪聲(Voltage Noise)；在橫軸時間軸上，體現為時域的抖動(Jitter)。

圖3.噪聲和抖動

由于噪聲和抖動，眼圖上的空白區域變小。如圖4，在除去抖動和噪聲的基礎上，眼圖上空白的區域在橫軸上的距離稱為眼寬(Eye Width)，在眼圖上疊加的數據足夠多時，眼寬很好的反映了傳輸線上信號的穩定時間；同理，眼圖上空白的區域在縱軸上的距離稱為眼高(Eye Height)，在眼圖上疊加的數據足夠多時，眼高很好的反映了傳輸線上信號的噪聲容限，同時，眼圖中眼高最大的地方，即為最佳判決時刻。

圖4.眼高和眼寬

數字信號在采樣前后，需要有一定的建立時間(Setup Time)和保持時間(Hold Time)，數字信號在這一段時間內應保持穩定，才能保證正確采樣，如圖5.1中藍色部分。而對于輸入電平的判決，需要高電平的電壓值高于輸入高電平VIH，低電平的電壓值地與輸入低電平VIL，如圖5.1中的綠色部分。所以，我們可以得知最早的采樣時刻和最晚的采樣時刻如圖5.1和5.2所示。

圖5.1采樣和判決a

圖5.2采樣和判決b

在最佳采樣時刻，采樣的誤碼率是最低的，而隨著采樣時刻向時間軸兩側的移動，誤碼率不斷增大，如圖6所示。所以工程上也經常畫出信號采樣周期內誤碼率的變化曲線，稱為澡盆曲線(Bathtub Curve)。

圖6. Bathtub Curve

在實際測試時，為了提高測試效率，經常使用到的方法是Mask Testing。即根據信號傳輸的需求，在眼圖上規定一個區域（如圖7中的菱形區域），要求左右的信號全部出現在這個區域之外，一旦菱形區域內有出現信號，則宣布測試未通過。

圖7. Mask Testing

幅度噪聲可能會導致邏輯‘1’的電壓或功率電平垂直波動，低于樣點，導致邏輯‘1’碼錯誤地標為邏輯‘0’碼，即誤碼。抖動描述了相同的效應，但它是水平波動。抖動或定時噪聲可能會導致碼的邊沿在水平方向中的樣點內波動，導致錯誤。從這種意義上講，抖動定義為一個數字信號在有效時點上距理想時間位置的短期變化。脈沖電壓電平的波動源自不需要的調幅(AM)。類似的，轉換的定時波動可以描述為脈沖相位波動、不需要的調相(PM)或相噪。在系統器件的定時方面，數據通信和電信技術并不相同。在同步系統中，如SONET/SDH，系統器件同步到公共的系統時鐘。在信號通過網絡傳送時，不同器件生成的抖動會通過網絡傳播，除非對器件中傳送的抖動提出嚴格的要求，否則抖動可能會無限制地提高。在異步系統中，如千兆位以太網、PCI Express和光纖通道，器件定時由分布式時鐘提供或從數據轉換中重建的時鐘中提供。在這種情況下，必須限制器件生成的抖動，但從一個器件轉移到另一個器件上的抖動則不太重要。不管是哪種情況，底線是系統的工作性能如何，即誤碼率。

圖8 抖動大的眼圖的交點，直方圖是一個像素寬的交點塊投射到時間軸上的投影

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)。可以把抖動看作從理想定時位置的、邏輯轉換的定時變化，如圖2中的直方圖所示。這一分布顯示了被不同抖動源模糊的理想定時位置。抖動分布是RJ和DJ概率密度函數的卷積。隨機抖動源自各種隨機流程，如熱噪聲和散粒噪聲，其假設遵守高斯分布，如圖3a所示。由于高斯分布的尾部擴展到無窮大，RJ的峰到峰值沒有邊界，而RJ的均方根則收斂到高斯分布的寬度上。

圖9 單個時點的抖動、正弦周期抖動和隨機抖動相結合，導致誤碼的實例

Ideal Transition Edge: 理想的轉換邊沿RJ Smeared Edge: RJ模糊的邊沿DJ Smeared Edge: DJ模糊的邊沿確定性抖動(DJ)包括占空比失真(DCD)、碼間干擾(ISI)、正弦或周期抖動(PJ)和串擾。DCD源自時鐘周期中的不對稱性。ISI源自由于數據相關效應和色散導致的邊沿響應變化。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的特色特點是，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；RJ稱為不相關無界抖動。識別不同類型的抖動來源，可以減少設計層次的問題，因為不同的器件以不同的方式生成抖動。例如，發射機主要生成RJ。外部調制的激光發射機生成的大多數抖動是由激光器和主參考時鐘的隨機抖動導致的。相反，接收機生成的絕大部分抖動是DJ，這源于導致ISI的前置放大器和后置放大器連接的AC耦合等因素。直接調制激光發射機受到RJ和DJ的影響。介質采用兩種方式：光纖從色散中增加DJ，從散射中增加RJ；傳導介質從有限帶寬中增加DJ，與低頻和多個反射相比，高頻的衰減要更高。