一、眼图(Eye Diagram)与数字信号测试

什么是眼图？ 在什么场合使用？ 反映了波形的什么信息？

解答：

曲线图可表示数字信号的传输质量，常用于需要对电子设备、芯片内的串行数字信号或高速数字信号进行测试和验证的场合，最终是高速且非常直观地观察数字信号质量的手段。 在家电产品中，经常使用芯片内部、芯片与芯片之间的高速信号传输，如果对应的信号质量差，会导致设备不稳定，功能执行错误甚至故障。 图解反映了数字信号受物理器件、通道的影响，工程师通过图解可以快速得到待测产品中信号的实测参数，提前判断现场可能出现的问题。

1、眼图形成

在数字信号的情况下，高电平和低电平的变化可以是各种序列的组合。 以3个bit为例，共有8个000-111的组合，在时域上将足够数量的上述序列对齐到每个某个基准点，将其波形叠加后形成眼图。 如图1所示。 在测试仪器中，首先从待测信号中恢复信号的时钟信号，然后按照时钟标准叠加眼图进行显示。

2、电路图中包含的信息

在实际的曲线图中，如图2所示，首先数字波形的平均上升时间(Rise Time )、下降时间(Fall Time )、过冲(overshold )、下冲(undershold )、阈值电平) threshold /

信号并不是每个高低电平的电压值都完全一致，也不能保证高低电平的上升沿、下降沿每次都是相同的定时。

如图3所示，通过多次叠加信号，眼图案的信号线变粗，从而出现模糊(Blur )。 因此，眼图也反映了信号的噪声和抖动。 在纵轴的电压轴上，表现为电压的噪声(Voltage Noise )。 在横轴的时间轴上，表现为时域的抖动。

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所示，在去除了抖动和噪声的同时，眼图上的空白区域的水平轴上的距离被称为眼宽(Eye Width )，并且在眼图上叠加的数据足够多的情况下，眼宽充分地反映了传输路径上的信号的稳定时间； 同样地，将眼图上的空白区域的纵轴上的距离称为眼高(Eye Height )，在重叠在眼图上的数据足够多的情况下，眼高很好地反映了传输路径上的信号的噪声容限，同时眼高最大的地方是最佳的判定时刻。

图4 .眼高和眼宽

数字信号在采样前后需要一定的建立时间(Setup Time )和保持时间(Hold Time )，数字信号必须在该时间内稳定，才能保证准确的采样。 图5.1的蓝色部分。

为了确定输入电平，需要高电平电压值高于输入高电平VIH，并且低电平电压值与输入低电平VIL一致，如图5.1中的绿色部分所示。

因此，可以看出，最早采样时刻和最晚采样时刻如图5.1和5.2所示。

在最佳采样时间，如图6所示，采样误差率最低，并且随着采样时间移动到时间轴的两侧，误差率逐渐增大。 因此，在工程学上也经常描绘信号采样周期内的误码率变化曲线，称为洗澡曲线(Bathtub Curve )。

图6. Bathtub Curve

在实际测试中，为了提高测试效率，常用的方法是Mask Testing。 也就是说，根据信号传输的需要，在眼图上规定区域(图7中的菱形区域)，要求左右信号全部输出到该区域之外，当菱形区域内出现信号时，宣布测试不合格。

图7 .掩码测试

幅度噪声使得逻辑“1”的电压或功率水平垂直地改变，低于采样点，逻辑“1”码可能错误地导致逻辑“0”码或符号误差。 抖动显示出同样的效果，但是是水平变动。 抖动和时序噪声可能会导致代码边缘在水平采样点内波动，从而导致错误。

在这种意义上，抖动是一个数字信号有效时间点上从理想时间位置的短期变化。 脉冲电压电平的变动来自不需要的幅度调制(AM )。 同样，转换的时序变化可以描述为脉冲相位变化、不必要的相位调整(PM )或相位噪声。

在系统设备的时序上，数据通信和通信技术不同。 在同步系统(如SONET/SDH )中，系统设备与公共系统时钟同步。 在通过网络传输信号时，不同设备生成的抖动通过网络传播，只要不对设备发送的抖动提出严格的要求，抖动就有可能无限制地提高。

在异步系统(如千兆以太网、PCI Express或光纤通道)中，设备的定时由分布式时钟或通过数据转换重建的时钟提供。 在这种情况下，必须限制设备中出现的抖动，但从一个设备转移到另一个设备的抖动并不重要。 总之，底线是系统的工作性能，即误码率。

图8抖动大的眼图的交点、直方图是将1个像素宽度的交点块投影到时间轴上的投影

设备生成的固有抖动称为抖动输出。 其主要来源可分为两部分：随机抖动(RJ )和确定性抖动(DJ )。 如图2的直方图所示，抖动可以被认为是逻辑转换从理想定时位置的定时变化。 该分布显示了由于不同的抖动源而模糊的理想定时位置。 抖动分布是RJ和DJ的概率密度函数的卷积。 随机抖动来自于热噪声、散粒噪声等各种随机流动，如图3a所示，假设遵循要跟踪的前辈的分布。 因为分布着要找的前辈

尾部扩展到无穷大，RJ的峰到峰值没有边界，而RJ的均方根则收敛到追寻的学姐分布的宽度上。

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。
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二、眼图

码间串扰与发送滤波器(Gt)特性、信道特性、接收滤波器特性等因素有关，在工程实际中，如果部件调试不理想或信道特性发生变化，都可能使传输系统的传递函数H(w)改变，从而引起系统性能变坏。

1.眼图概念：
眼图是指利用实验的方法估计和改善(通过调整)传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。

观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称 为 “眼图”。

从“眼图”上可 以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。

2.眼图形成和模型：
（1）无噪声时的眼图.

为解释眼图和系统性能之间的关系，下图给出了无噪声情况下，无码间串扰和有码间串扰的眼图。

图（a）是无码间串扰的双极性基带脉冲序列，用示波器观察它，并将水平扫描周期调到与码元周期一致。

由于荧光屏的余辉作用，扫描线所得的每一个码元波形将重叠在一起，形成如图 ( c )所示的线迹细而清晰的大 “眼睛”。

图 ( b )是有码间串扰的双极性基带脉冲序列，由于存在码间串扰，此波形已经失真，当用示波器观察时，示波器的扫描迹线不会完全重合，于是形成的眼图线迹杂乱且不清晰， “ 眼睛 ” 张开的较小，且眼图不端正，图 ( d )所示。

对比图 ( c )和图( d )可知，眼图 的 “眼睛” 张开的大小反映着码间串扰的强弱。 “眼睛”张的 越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小;反之表示码间串扰越大。

（2）无噪声时的眼图.
当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰 ， “眼睛”将 张开得更小。

与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊;码间串扰越大，眼图越不端正。

（3）眼图模型.

眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣;可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。

为了说明眼图和系统性能的关系，把眼图简化为下图所示的形状，称为眼图的模型。该图表明意义如下：

( 1 )最佳抽样时刻应 在 “眼睛” 张开最大的时刻。

( 2 )对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏。

( 3 )在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。

( 4 )眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。

( 5 )在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。

( 6 )对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。
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