眼图是数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段

问题:

什么是眼图？它用在什么场合？反映了波形的什么信息？

解答:

眼图（Eye Diagram）可以显示出数字信号的传输质量，经常用于需要对电子设备、芯片中串行数字信号或者高速数字信号进行测试及验证的场合，归根结底是对数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段。消费电子中，芯片内部、芯片与芯片之间经常用到高速的信号传输，如果对应的信号质量不佳，将导致设备的不稳定、功能执行错误，甚至故障。眼图反映的是数字信号受物理器件、信道的影响，工程师可以通过眼图，迅速得到待测产品中信号的实测参数，并且可以预判在现场可能发生的问题。

1、眼图的形成

对于数字信号，其高电平与低电平的变化可以有多种序列组合。以3个bit为例，可以有000-111共8中组合，在时域上将足够多的上述序列按某一个基准点对齐，然后将其波形叠加起来，就形成了眼图。如图1。对于测试仪器而言，首先从待测信号中恢复出信号的时钟信号，然后按照时钟基准来叠加出眼图，最终予以显示。

图1.眼图的形成

2、眼图中包含的信息

对于一幅真实的眼图，如图2，首先我们可以看出数字波形的平均上升时间(Rise Time)、下降时间(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/Crossing Percent)等基本的电平变换的参数。

图2.电平变换参数

信号不可能每次高低电平的电压值都保持完全一致，也不能保证每次高低电平的上升沿、下降沿都在同一时刻。如图3，由于多次信号的叠加，眼图的信号线变粗，出现模糊(Blur)的现象。所以眼图也反映了信号的噪声和抖动：在纵轴电压轴上，体现为电压的噪声(Voltage Noise)；在横轴时间轴上，体现为时域的抖动(Jitter)。

图3.噪声和抖动

由于噪声和抖动，眼图上的空白区域变小。如图4，在除去抖动和噪声的基础上，眼图上空白的区域在横轴上的距离称为眼宽(Eye Width)，在眼图上叠加的数据足够多时，眼宽很好的反映了传输线上信号的稳定时间；同理，眼图上空白的区域在纵轴上的距离称为眼高(Eye Height)，在眼图上叠加的数据足够多时，眼高很好的反映了传输线上信号的噪声容限，同时，眼图中眼高最大的地方，即为最佳判决时刻。

图4.眼高和眼宽

数字信号在采样前后，需要有一定的建立时间(Setup Time)和保持时间(Hold Time)，数字信号在这一段时间内应保持稳定，才能保证正确采样，如图5.1中蓝色部分。而对于输入电平的判决，需要高电平的电压值高于输入高电平VIH，低电平的电压值地与输入低电平VIL，如图5.1中的绿色部分。所以，我们可以得知最早的采样时刻和最晚的采样时刻如图5.1和5.2所示。

图5.1采样和判决a

图5.2采样和判决b

在最佳采样时刻，采样的误码率是最低的，而随着采样时刻向时间轴两侧的移动，误码率不断增大，如图6所示。所以工程上也经常画出信号采样周期内误码率的变化曲线，称为澡盆曲线(Bathtub Curve)。

图6. Bathtub Curve

在实际测试时，为了提高测试效率，经常使用到的方法是Mask Testing。即根据信号传输的需求，在眼图上规定一个区域（如图7中的菱形区域），要求左右的信号全部出现在这个区域之外，一旦菱形区域内有出现信号，则宣布测试未通过。

图7. Mask Testing

幅度噪声可能会导致逻辑‘1’的电压或功率电平垂直波动，低于样点，导致逻辑‘1’码错误地标为逻辑‘0’码，即误码。抖动描述了相同的效应，但它是水平波动。抖动或定时噪声可能会导致码的边沿在水平方向中的样点内波动，导致错误。从这种意义上讲，抖动定义为一个数字信号在有效时点上距理想时间位置的短期变化。脉冲电压电平的波动源自不需要的调幅(AM)。类似的，转换的定时波动可以描述为脉冲相位波动、不需要的调相(PM)或相噪。在系统器件的定时方面，数据通信和电信技术并不相同。在同步系统中，如SONET/SDH，系统器件同步到公共的系统时钟。在信号通过网络传送时，不同器件生成的抖动会通过网络传播，除非对器件中传送的抖动提出严格的要求，否则抖动可能会无限制地提高。在异步系统中，如千兆位以太网、PCI Express和光纤通道，器件定时由分布式时钟提供或从数据转换中重建的时钟中提供。在这种情况下，必须限制器件生成的抖动，但从一个器件转移到另一个器件上的抖动则不太重要。不管是哪种情况，底线是系统的工作性能如何，即误码率。

图8 抖动大的眼图的交点，直方图是一个像素宽的交点块投射到时间轴上的投影

器件生成的固有抖动称为抖动输出。其主要来源可以分为两个：随机抖动(RJ)和确定性抖动(DJ)。可以把抖动看作从理想定时位置的、逻辑转换的定时变化，如图2中的直方图所示。这一分布显示了被不同抖动源模糊的理想定时位置。抖动分布是RJ和DJ概率密度函数的卷积。随机抖动源自各种随机流程，如热噪声和散粒噪声，其假设遵守高斯分布，如图3a所示。由于高斯分布的尾部扩展到无穷大，RJ的峰到峰值没有边界，而RJ的均方根则收敛到高斯分布的宽度上。

图9 单个时点的抖动、正弦周期抖动和随机抖动相结合，导致误码的实例

Ideal Transition Edge: 理想的转换边沿RJ Smeared Edge: RJ模糊的边沿DJ Smeared Edge: DJ模糊的边沿确定性抖动(DJ)包括占空比失真(DCD)、码间干扰(ISI)、正弦或周期抖动(PJ)和串扰。DCD源自时钟周期中的不对称性。ISI源自由于数据相关效应和色散导致的边沿响应变化。PJ源自周期来源的电磁捡拾，如电源馈通。串扰是由捡拾其它信号导致的。DJ的特色特点是，其峰到峰值具有上下限。DCD和ISI称为有界相关抖动；Pj和串扰称为不相关有界抖动；RJ称为不相关无界抖动。识别不同类型的抖动来源，可以减少设计层次的问题，因为不同的器件以不同的方式生成抖动。例如，发射机主要生成RJ。外部调制的激光发射机生成的大多数抖动是由激光器和主参考时钟的随机抖动导致的。相反，接收机生成的绝大部分抖动是DJ，这源于导致ISI的前置放大器和后置放大器连接的AC耦合等因素。直接调制激光发射机受到RJ和DJ的影响。介质采用两种方式：光纤从色散中增加DJ，从散射中增加RJ；传导介质从有限带宽中增加DJ，与低频和多个反射相比，高频的衰减要更高。