首先我們先了解關于眼圖的基本知識

1、為什么要關注眼圖

數字信號的眼圖中包含了豐富的信息，可以體現數字信號的整體特征，能夠很好地評估數字信號的質量，因而眼圖的分析是數字系統信號完整性分析的關鍵之一。

2、眼圖的形成

串行數據的傳輸

由于通訊技術發展的需要，特別是以太網技術的爆炸式應用和發展，使得電子系統從 傳統的并行總線轉為串行總線。串行信號種類繁多，如 PCI Express、SPI、USB 等，其傳 輸信號類型時刻在增加。為何串行總線目前應用越來越廣泛呢？相比并行數據傳輸，串行數據傳輸的整體特點如下：

1 信號線的數量減少，成本降低

2 消除了并行數據之間傳輸的延遲問題

3 時鐘是嵌入到數據中的，數據和時鐘之間的傳輸延遲也同樣消除了

4 傳輸線的 PCB 設計也更容易些

5 信號完整性測試也更容易

實際中，描述串行數據的常用單位是波特率和UI，串行數據傳輸示例如下：

圖 串行數據傳輸示例

例如，比特率為 3.125Gb/s 的信號表示為每秒傳送的數據比特位是 3.125G 比特，對應的一個單位間隔即為 1UI。1UI表示一個比特位的寬度，它是波特率的倒數，即 1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。現在比較常見的串行信號碼形是 NRZ 碼，因此在一般的情況下對 于串行數據信號，我們的工作均是針對 NRZ 碼進行的。

由于示波器的余輝作用，將掃描所得的每一個碼元波形重疊在一起，從而形 成眼圖。眼圖中包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，體現了 數字信號整體的特征，從而可以估計系統優劣程度，因而眼圖分析是高速互連系統信號完 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。

眼圖實際上就是數字信號的一系列不同二進制碼按一定的規律在示波器屏幕上累積后的顯示，簡單地說，由于示波器具有余輝功能，只要將捕獲的所有波形按每三個比特分別地疊加累積 (如上圖所示)，從而就形成了眼圖。

目前，一般均可以用示波器觀測到信號的眼圖，其具體的操作方法為：將示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后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，這時示波器屏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字信號的整體特征。

3、眼圖和實時波形的區別

? 實時波形能夠反映波形的細節，如觀察上升/下降邊沿、過沖、單調性等。

? 眼圖能夠體現信號的整體特征。

? 實時波形很好，可以說明信號品質沒有問題嗎？不一定，只能代表某些比特。

? 眼圖很好，可以說明信號品質沒有問題嗎？當然可以。代表整體。

4、眼圖的衡量指標

在對于一個眼圖進行好和壞的評估時，通常都有一些常見的衡量指標，比如眼高，眼寬，抖動，占空比等，如上圖。通過對眼睛不同部位的表征，可以快速地判斷和定性信號的問題。比如眼圖跳變沿交叉點的上下區域可以代表占空比，如果上下區域比例不對稱，則代表占空比的結果可能存在問題。

有時候為了能簡單直觀地判斷眼圖指標是否符合要求，可以將規范定義的要求制作成一個模板，然后通過示波器來調用，便可以直接觀察到眼圖是否有接觸到模板。如果沒有接觸到則表示眼圖的指標符合規范要求，同樣如果有接觸到模板，也可以根據接觸的位置針對性的改善。不需要像傳統的測試方法去一一地測量眼圖指標了。

很多人在稱贊美女的時候，經常會用【明眸皓齒】、【蜂腰美人】或【水蛇腰】來形容。其實在評判眼圖的質量時，這個標準也蠻適用的。這其實就可以當作檢查眼圖是否完美的兩個重要準則：

【明眸皓齒】：眼睛要大，如果配合上有眼圖模板的話，那么以眼圖模板當作瞳孔，則眼白（Margin）就必須要夠多。

【蜂腰美人】：如圖7紅綠色圓圈中交叉的部分，必須要越小越好，最好是一個點，就像蜂腰美人一樣，比較瘦小，因為這里代表的是抖動，如果太大就會造成誤碼率增加。抖動越小則代表信號質量越好，發生誤碼的機率越低。

前面講到了眼圖模板，眼圖的測試主要是用來檢測高速串行傳輸的信號質量，不論是SATA、PCI Express還是USB，標準都有提供眼圖模板的標準給工程師作為眼圖的測量準則。如圖8所示，是USB2.0 TX的眼圖模板，所謂的眼圖模板主要是用在判斷眼圖是否符合規范的要求，圖8中ABCDEF6點所圍成的六邊形紅色區域以及GH以上、IJ一下區域代表所謂的【禁止區域】。

如果眼圖有任何信號波形位進入這些紅色區域，則表示信號傳輸不滿足協議規范的要求(綠色圓圈處)

5、眼圖反映了信號的完整性

不同的眼圖可以反映不同的信號質量，對于有經驗的工程師可以從眼圖上發現信號是否存在阻抗不匹配導致的反射，以及某種抖動成分偏大，甚至知道如何來優化眼圖質量。總體來說：

? 眼圖的張開度與抖動和BER相關聯；

? 眼圖張開越大，表明對噪聲和抖動的容許誤差越大；

? 眼圖張開越大，表明接收器判斷靈敏度越好；

? 眼頂、眼底和轉換區域寬表明接收器判斷靈敏度降低

“張開”的眼圖呢？以下從幾個方面考慮：

(1)考慮 PCB 走線長度：短走線并非始終能夠滿足，短走線意味著低損耗

(2)考慮 PCB 走線寬度：寬走線可以降低趨膚效應

(3)減小板材的介電常數：降低介電損耗(Dielectric Loss)，但將增加成本

(4)信號預加重和均衡處理：通過對跳變位預加重(Pre-Emphasis)處理，補償線路上 因信號跳變產生的針對高頻分量的損耗

(5) 阻抗不連續造成的反射，阻抗匹配減少反射

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”電平減去“0”電平。上下直方圖的3sigm之差表示眼高。

眼圖參數定義:幅度相關的測量參數的定義

6、眼圖與存儲深度

通常眼圖是由若干個比特(UI)組成，考慮到眼圖測試的精度和穩定性，一般都要求累積到足夠的UI數再分析，這個就涉及到示波器的存儲深度。越高的存儲深度，示波器一次分析的UI數就會越多，測試結果也就越精準。因此在測量高速信號的眼圖和抖動中，盡量采用高的存儲深度。當然存儲深度越高，示波器的分析速度相對也會變慢。

下圖是Keysight實時示波器動態顯示實時眼圖的累積情況。眼圖的左上角會顯示累積的UI數以及示波器捕獲的波形數。

滿足等式：UI數 = 存儲深度/采樣率*信號速率*波形數

7、實時的眼圖表現

另外，眼圖既然是實時波形的疊加，對于眼圖的分析也應該具有實時性。下圖是Keysight實時示波器測出的眼圖，在示波器窗口中能看到上半部窗口是實時波形的顯示，下半部窗口是實時眼圖的顯示。這種同步實時性的顯示功能可以讓工程師更直觀地對波形和眼圖進行觀察，更好地進行分析和調試工作。這種功能也是作為儀器廠商目前唯一支持的。

8、快速眼圖的測量 (一鍵式眼圖測量)

當我們需要測量眼圖時，需要先進行一系列的設置后才能形成波形的眼圖，比如波形的大小調整、信號速率的設定以及閾值的設定等。對于一些關心測試效率或者需要做大量的信號眼圖測試的用戶來說，他們更希望可以最簡單化地進行眼圖的測量，不用因為信號速率或者幅度不同每次都要重新進行眼圖設置。是德科技示波器的軟件不斷創新和優化，增加了非常多的人性化功能。對于眼圖的測量，我們只需要通過鼠標或者觸摸屏控制，一鍵式點擊就可以快速地基于實時波形形成出眼圖，為用戶提供了非常便捷地方式。

下圖是我們針對一個10Gbps的高速信號，進行快速眼圖測量，當波形顯示出來后，只要點擊Analyze菜單下面的“Quick Eye Diagrams”就可以快速地形成信號的眼圖。

9、Eye Contour 誤碼率眼圖

現在對高速信號的眼圖測量要求越來越高，以前工程師在測量眼圖的時候，可能在捕獲時間上有多有少的自行定義，來看眼睛的高度和寬度或者抖動等。現在很多的接口規范開始要求在一定誤碼率下來評估眼高和眼寬等，比如在OIF-CEI的標準里對28Gbps信號的眼高眼寬要求，就定義在1e-15的誤碼率下。

下圖是對V by One的信號進行眼圖測量，該總線規范也要求了誤碼率1e-9下的眼圖。在下面的眼圖結果中可以看到不同誤碼率下的眼圖輪廓，紅色線就是誤碼率1e-9的眼圖輪廓。

在數字電路系統中，發送端發送出多個比特的數據，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10^12。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，并將這些數據比特發送給輸入設備，然后在輸出端接收這些數據比特。然后，誤碼分析儀將接收到 的數據與發送的原始數據一位一位進行對比，確定哪些碼接收錯誤，隨后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 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的關系

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，抖動會導致 BER 提高到最大 0.5。

10、Multi-Channel Eye Measurement(多通道眼圖測量)

Multi-Channel Eye Measurement 多通道眼圖測量功能。