基本概念
編輯 什 麼是眼圖 “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采集到的串行信号的比特位的結果，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号的品質。 [1] 由于眼圖是用一張圖形就完整地表征了串行信号的比特位資訊，是以成為了衡量信号品質的最重要工具，眼圖測量有時侯就叫“信号品質測試（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于“模闆（Mask）”而言的。模闆規定了串行信号“1”電平的容限，“0”電平的容限，上升時間、下降時間的容限。是以眼圖測量有時侯又被稱為“模闆測試（Mask Test）”。 模闆的形狀也各種各樣，通常的NRZ信号的模闆如圖五和圖八藍色部分所示。在串行資料傳輸的不同節點,眼圖的模闆是不一樣的，是以在選擇模闆時要注意具體的子模闆類型。 如果用發送端的模闆來作為接收端眼圖模闆，可能會一直碰模闆。但象以太網信号、E1/T1的信号，不是NRZ碼形，其模闆比較特别。當有比特位碰到模闆時，我們就認為信号品質不好，需要調試電路。有的産品要求100%不能碰模闆，有的産品是允許碰模闆的次數在一定的機率以内。 [1] 在無碼間串擾和噪聲的理想情況下，波形無失真，每個碼元将重疊在一起，最終在 示波器上看到的是迹線又細又清晰的“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，眼圖的迹線就會不清晰，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，是以，“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，眼圖能直覺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。 [2]
原理
編輯
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，對于一個系統而言，分析這麼短的時間内的信号并不具有代表性，例如信号在每一百萬位元會出現一次突波（Spike），但在這100ns時間内，突波出現的機率很小，是以會錯過某些重要的資訊。如果要衡量整個系統的性能，這麼短的時間内測量得到的資料顯然是不夠的。設想，如果可以以重複疊加的方式，将新的信号不斷的加入顯示螢幕中，但卻仍然記錄着前次的波形，隻要累積時間夠久，就可以形成眼圖，進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。
八種狀态形成的眼圖 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”的所有狀态組，且每一個狀态組發生的次數要盡量一緻，否則有些資訊将無法呈現在螢幕上，圖示為八種狀态形成的眼圖： 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
示波器觀測到的眼圖 示波器上觀測到的眼圖與理論分析得到的眼圖大緻接近（無串擾等影響），圖示為示波器實際觀測到的眼圖。
示波器觀測到的不完整眼圖 如果這八種狀态組中缺失某種狀态，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，可是怎麼樣才能正确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
參數圖 等，各個參數如下圖所示：
參數
編輯 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] “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，直方圖的中心值分别為“1”電平和“0”電平。 [1] 眼幅度表示“1”電平信号分布與“0”電平信号分布平均數之差，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。 [1] 眼寬反映信号的總抖動，即是眼圖在水準軸所開的大小，其定義為兩上緣與下緣交彙的點（Crossing Point）間的時間差。交叉點之間的時間是基于信号中的兩個零交叉點處的直方圖平均數計算而來，每個分布的标準偏差是從兩個平均數之間的內插補點相減而來。 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。 [1]
操作步驟
編輯 眼圖測量的基本步驟: 1、按照捕獲信号的基本原則(過采樣、最小化量化誤差、捕獲足夠長的時間)實作對信号的高保真捕獲; 2、設定合适的PLL; 3、設定眼圖的模闆和子模闆; 4、測量相關眼圖參數。 [2]
測量方法
編輯 眼圖測試是高速串行信号實體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:數字信号1電平、0電平，信号是否存在過沖、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)。眼圖反映了大資料量時的信号品質，可以最直覺地描述高速數字信号的品質與性能。 傳統眼圖測量方法用中文來了解是8個字:“同步觸發+疊加顯示”，現代眼圖測量方法用中文來了解也是8個字:“同步切割+疊加顯示”。兩種方法的差别就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”是準确測量眼圖的關鍵，傳統方法和現代方法同步的方法是不一樣的。“疊加顯示”就是用模拟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的資料是相對于觸發點排列的，每觸發一次眼圖上隻增加了一個 比特位。 [2]
其他概念
編輯
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号的品質。消光比越大，代表在接收機端會有越好的邏輯鑒别率；消光比越小，表示信号較易受到幹擾，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盡可能大，有利于減少功率代價。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。是以，一般的對于 FP/DFB 直調雷射器要求消光比不小于 8.2dB ，EML電吸收雷射器消光比不小于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，之是以給出這麼一個數值是害怕消光比太高了，傳輸以後信号劣化太厲害，導緻誤碼産生或通道代價超标。
眼交叉比
眼圖交叉比，是測量交叉點振幅與信号“1”及“0”位準之關系，是以不同交叉比例關系可傳遞不同信号位準。一般标準的信号其交叉比為50%，即表示信号“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）：
不同交叉比例關系眼圖 随着交叉點比例關系的不同，表示不同的信号1或0傳遞品質的能耐。如下圖所示，左邊圖形為不同交叉比例關系的眼圖，對應到右邊相關的1及0脈沖信号。同時也可以了解到在不同脈沖信号時間的寬度與圖交叉比例的關系。
不同叫擦汗比與脈沖信号的關系圖 圖 不同眼交叉比與脈沖信号的關系 對于一般的信号而言，平均分布信号位準1及0是最常見的。一般要求眼圖交叉比為50%，即以相同的信号脈沖1與0長度為标準，來作相關參數的驗證。是以，根據眼交叉比關系的分布，可以有效地測量因不同1及0信号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位準信号，将會依此交叉比關系來驗證信号誤碼、屏蔽及其極限值。眼交叉比過小，即傳遞過多0位準信号，一般容易造成接收端信号不易從其中抽取頻率，導緻無法同步，進而産生同步損失。
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，分别以左側交叉點左側(20%)至右側(80%)兩塊水準區間作此傳遞信号上升斜率時間之換算，計算公式如下：
眼圖信号下降時間 下降時間=平均(20%時間位準)-平均(80%時間位準) 圖 眼圖信号下降時間 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，可以傳遞的信号及容忍誤碼比率愈好。
Q因子
Q因子（Q Factor）用于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号功率和噪聲功率的比值，可适用于各種信号格式和速率的數字信号，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”信号噪聲有效值 與“0”信号噪聲有效值 之和為信号噪聲有效值。 Q因子綜合反映眼圖的品質問題。Q因子越高，眼圖的品質就越好，信噪比就越高。Q因子一般受噪聲、光功率、電信号是否從始端到終端阻抗比對等因素影響。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，發送側光眼圖的Q因子不應該小于12，接收測的Q因子不應該小于6 。
平均功率
通過眼圖反映的平均功率，即是整個資料流的平均值。與眼圖振幅測量不同，平均功率則是直方圖的平均值。如果資料編碼正常工作，平均功率應為總眼圖振幅的50%。
抖動
抖動是在高速資料傳輸線中導緻誤碼的定時噪聲。如果系統的資料速率提高，在幾秒内測得的抖動幅度會大體不變，但在位周期的幾分之一時間内測量時，它會随着資料速率成比例提高，進而導緻誤碼。是以，在系統中盡可能的減少這種相關抖動，提升系統總體性能。 抖動，描述了信号的水準波動，即信号的某特定時刻相對于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，但由于碼元的水準波動，導緻其形成了一個區域。
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：随機抖動(RJ)和确定性抖動(DJ)，其中确定性抖動(Deterministic Jitter)又可以分為周期性抖動（Periodic Jitter）、占空比失真（Duty Cycle Distortion）、碼間幹擾（Inter-Symbol Interference）和串擾。DCD源自時鐘周期中的不對稱性。ISI源自由于資料相關效應和色散導緻的邊沿響應變化。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号導緻的。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機率密度函數的卷積。 分析抖動以及其具體産生原因将有助于在系統設計時盡可能的減少抖動産生的影響，同時可以确定抖動對BER的影響，并保證系統BER低于某個最大值，通常是 。是以，抖動的形成原因直覺的表示如下圖：
抖動形成原因
系統性能
編輯 當接收信号同時受到 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，通過觀察接收信号的“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号間幹擾和噪聲的影響，具體描述如下：
眼圖與系統性能關系圖 圖 眼圖與系統性能的關系 眼圖對于展示數字信号傳輸系統的性能提供了很多有用的資訊：可以從中看出碼間串擾的大小和噪聲的強弱，有助于直覺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；可以訓示接收濾波器的調整，以減小碼間串擾，如： 眼圖的“眼睛”張開的大小反映着碼間串擾的強弱。“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，噪聲将疊加在信号上，觀察到的眼圖的線迹會變得模糊不清。若同時存在碼間串擾 ，“眼睛”将張開得更小。與無碼間串擾時的眼圖相比，原來清晰端正的細線迹，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線迹越寬，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，在實際應用中要以此為參考，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，表示最大信号畸變。 （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迹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）對于利用信号過零點取平均來得到定時資訊的接收系統，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資訊有重要的影響。
誤碼率
編輯 在數字電路系統中，發送端發送出多個比特的資料，由于多種因素的影響，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小于或等于 。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、信号的比特率等。 在 誤碼率（BER）的測試中，碼型發生器會生成數十億個資料比特，并将這些資料比特發送給輸入裝置，然後在輸出端接收這些資料比特。然後，誤碼分析儀将接收到的資料與發送的原始資料一位一位進行對比，确定哪些碼接收錯誤，随後會給出一段時間内内計算得到的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)的函數，稱為BERT掃描圖或浴缸曲線。簡而言之，它是在相對于參考時鐘給定的額定取樣時間的不同時間t上測得的BER。參考時鐘可以是信号發射機時鐘，也可以是從接收的信号中恢複的時鐘，具體取決于測試的系統。以上述的眼圖為參考，眼睛張開度與誤碼率的關系以及其BER圖如下：
眼睛張開度與誤碼率關系圖 圖 眼睛張開度與誤碼率的關系
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，樣點位于中心。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，抖動會導緻BER提高到最大0.5。
生成探讨
編輯 一般而言，生成眼圖需要通過測量大量的資料，然後再從其中恢複得到。示波器測量眼圖中，經過前期的資料采集，其記憶體中可以獲得完整的資料記錄。然後，利用硬體或者軟體對時鐘進行恢複或提取得到同步時鐘信号，用此時鐘信号與資料記錄中的資料同步到每個比特，通過觸發恢複的時鐘，把資料流中捕獲的多個1 UI(機關間隔，相當于一個時鐘周期)的信号重疊起來，也即将每個比特的資料波形重疊，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，通過用恢複的時鐘信号等間隔的觸發資料記錄中的信号，将這些截取到的機關UI波形疊加在一起，就形成了眼圖。 通過以上的分析，從采集到的資料中恢複出時鐘信号對于眼圖的生成至關重要。是以，眼圖與CLK的關系如下： （1）采樣示波器的CLK通常可能是使用者提供的時鐘，恢複時鐘，或者與資料信号本身同步的碼同步信号. （2）實時示波器通過一次觸發完成所有資料的采樣，不需附加的同步信号和觸發信号。通常通過軟體PLL方法恢複時鐘. 是以，這裡有必要介紹下時鐘恢複電路的功能（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）從接收到的資料流中恢複出原采樣 時鐘信号 （2）利用恢複的時鐘信号來衡量輸入信号的時間、幅度等級等性能 （3）在輸入信号的時間和幅度等特性基礎上重新生成資料流，并且與恢複的時鐘信号或重新生成的系統時鐘同步。 目前，對于時鐘恢複的方法，大多數用到的是基于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）、壓控振蕩器（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，鎖相環對于時鐘恢複的重要性可以展現在以下幾個方面： （1）完全內建的，并且不需要外部的參考時鐘信号 （2）確定時鐘信号與資料同步 （3）對時鐘信号提供監視功能，當鎖相環失鎖時提供警報 （4）優化誤碼率——調整關于資料信号的時鐘相位 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. 測試高速串行資料信号的眼圖與抖動的儀器都使用了基于鎖相環的時鐘恢複方法。其中，實時示波器主要使用軟體PLL來恢複參考時鐘，取樣示波器和誤碼率測試儀都使用硬體PLL來恢複時鐘。采用軟體恢複時鐘方法，捕獲長資料波形，将資料與恢複時鐘逐位比較，完成眼圖、抖動、誤碼率測試。可分析捕獲的串行資料的每一個Bit位，避免了觸發抖動和硬體恢複時鐘抖動導緻的測量不精确，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） 從資料恢複時鐘（CDR），眼圖模闆測試：可以分為硬體CDR（PLL）和軟體CDR（PLL+其它） （2） 測量眼圖的眼高、眼寬等關于眼圖的參數 （3） 根據上面測量到的資料，繪制相關的圖形： 抖動：趨勢，頻譜,
直方圖, 浴盆曲線 根據上述的方案概況，硬體的時鐘恢複原理如下框圖所示：
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，示波器采集到一長串連續的資料波形；然後，使用軟體CDR恢複時鐘，用恢複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： 軟體時鐘恢複 眼圖參數測量 全系列标準專用參數測量，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，即觸發一次後連續采樣，減少了可能引入的抖動、噪聲 支援不同的時鐘恢複模型 鎖相環 (PLL) 相位内插重複取樣 (恒定時鐘, 連續位) 資料相關分析 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)