一、什么是眼圖

1．眼圖的基本概念

眼圖是一個統計疊加的概念，是一系列數字信號在示波器上積累而顯示的圖形，通過它可以觀察出碼間串擾和噪聲對系統的影響，從而估計系統優劣。

2. 眼圖形成的原理

一個完整的眼圖應該包含從“000”到“111”的所有狀態組，且每一個狀態組發生的次數要盡量一致，否則有些信息將無法呈現在屏幕上，八種狀態形成的眼圖如下所示：

圖2 眼圖形成示意圖

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上觀測到的眼圖與理論分析得到的眼圖大致接近（無串擾等影響），如下所示：

圖3 示波器實際觀測到的眼圖

如果這八種狀態組中缺失某種狀態，得到的眼圖會不完整，如下所示：

圖4 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，可是怎么樣才能正確的掌握其判斷方法呢？這里有必要對眼圖中所涉及到的各個參數進行定義，了解了各個參數以后，其判斷方法很簡單。

二、眼圖的特征定義

關于眼圖特征參數有很多，如眼高（眼開度）、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，抖動，上升時間和下降時間等，各個參數如下圖所示：

圖5 眼圖各個參數

眼圖中的“1”電平（Ptop）與“0”（Pbase）電平即是表示邏輯為1或0的電壓位準值，實際中選取眼圖中間的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”電平信號分布與“0”電平信號分布平均數之差，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。

眼寬：反映信號的總抖動，即是眼圖在水平軸所開的大小，其定義為兩上緣與下緣交匯的點（Crossing Point）間的時間差。交叉點之間的時間是基于信號中的兩個零交叉點處的直方圖平均數計算而來，每個分布的標準偏差是從兩個平均數之間的差值相減而來。

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。

下面詳細介紹如消光比等一些復雜的概念，以幫忙理解眼圖的性能。

（1）消光比（Extinction Ratio）

消光比定義為眼圖中“1”電平與“0”電平的統計平均功率的比值，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號的品質。消光比越大，代表在接收機端會有越好的邏輯鑒別率；消光比越小，表示信號較易受到干擾，系統誤碼率會上升。

（2）眼交叉比

眼圖交叉比，是測量交叉點振幅與信號“1”及“0”位準之關系，因此不同交叉比例關系可傳遞不同信號位準。一般標準的信號其交叉比為50%，即表示信號“1”及“0”各占一半位時間。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窗口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）：

圖6 眼圖信號交叉點比例關系

隨著交叉點比例關系的不同，表示不同的信號1或0傳遞質量的性能。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脈沖信號。同時也可以了解到在不同脈沖信號時間的寬度與圖交叉比例的關系。

圖7 不同眼交叉比與脈沖信號的關系

對于一般的信號而言，平均分布信號位準1及0是最常見的。一般要求眼圖交叉比為50%，即以相同的信號脈沖1與0長度為標準，來作相關參數的驗證。

（3）信號上升時間與下降時間

通常上升時間定義為上升沿從幅度的 10%上升到幅度的 90%所需要的時間。當進行光信號的測量時，這些點經常由于噪聲和抖動效應變得模糊，因此我們更經常用比較清晰的20%～80%幅度作為測量值，并用以下近似關系將 20%～80%上升時間變換為 10%～90%上升時間：

所以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，分別以左側交叉點左側(20%)至右側(80%)兩塊水平區間作此傳遞信號上升斜率時間之換算，計算公式如下：

圖8 眼圖信號上升時間

我們知道，時間位準20%及80%是與信號位準1及0有著相關性的。當然，如果上升時間愈短，即愈能表現出眼圖中間的白色區塊，即代表可傳遞的信號及容忍誤碼比率較好。 而對于眼圖下降時間如下圖所示，分別以右側交叉點左側(80%)至右側(20%)兩塊水平區間作此信號傳遞下降斜率時間之換算，計算公式如下：

圖9 眼圖信號下降時間

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，可以傳遞的信號及容忍誤碼比率愈好。

（4）Q因子（Q Factor）

Q因子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號功率和噪聲功率的比值，可適用于各種信號格式和速率的數字信號，其計算公式如下：

其中，“1”電平的平均值Ptop與“0”電平的平均值Pbase的差為眼幅度，“1”信號噪聲有效值

與“0”信號噪聲有效值

之和為信號噪聲有效值。

Q因子綜合反映眼圖的質量問題。Q因子越高，眼圖的質量就越好，信噪比就越高。Q因子一般受噪聲、光功率、電信號是否從始端到終端阻抗匹配等因素影響。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 。

（5）平均功率

通過眼圖反映的平均功率，即是整個數據流的平均值。與眼圖振幅測量不同，平均功率則是直方圖的平均值。如果數據編碼正常工作，平均功率應為總眼圖振幅的50%。

（6）抖動

抖動是在高速數據傳輸線中導致誤碼的定時噪聲。如果系統的數據速率提高，在幾秒內測得的抖動幅度會大體不變，但在位周期的幾分之一時間內測量時，它會隨著數據速率成比例提高，進而導致誤碼。因此，在系統中盡可能的減少這種相關抖動，提升系統總體性能。

圖10 抖動與時鐘速率的關系

抖動，描述了信號的水平波動，即信號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：

圖11 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，但由于碼元的水平波動，導致其形成了一個區域。

圖12 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：隨機抖動(RJ)和確定性抖動(DJ)，其中確定性抖動(Deterministic Jitter)又可以分為周期性抖動（Periodic Jitter）、占空比失真（Duty Cycle Distortion）、碼間干擾（Inter-Symbol Interference）和串擾。DCD源自時鐘周期中的不對稱性。碼間干擾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概率密度函數的卷積。

分析抖動以及其具體產生原因將有助于在系統設計時盡可能的減少抖動產生的影響，同時可以確定抖動對BER的影響，并保證系統BER低于某個最大值，通常是10^（-12）。因此，抖動的形成原因直觀的表示如下圖：

圖13 抖動形成原因

三、眼圖與系統性能

當接收信號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，通過觀察接收信號的“眼圖”對系統性能進行定性的、可視的估計。由眼圖可以觀察出碼擾和噪聲的影響，具體描述如下：

圖14 簡化的眼圖

數字信號系統的幅度噪聲會使眼開度減小，縱向眼開度的高度 Ymax 與最大信號電平 V2 定義了最大的幅度畸變。眼閉合度越大（縱向眼開度越小），說明正確判斷信號中“1”與“0”越困難。在最佳取樣時間 t1 處的眼開度的大小定義了系統的噪聲容限。

噪聲容限=V1/V2*100%

取樣時間改變時，眼圖邊線的斜率定義了系統時間誤差的靈敏度：當斜率較小時，時間誤差的概率增加。在光纖系統中由于接收機噪聲和光纖的脈沖畸變，會產生時間抖動。如果取樣時間正好在信號電平與判斷閾值水平相交的時刻的中點，則判斷閾值電平處失真量ΔT 表示了時間抖動大小，用百分率表示為：

定時抖動= ΔT/Tb*100%

式中 Tb 是一個比特的時間間隔。

眼圖對于展示數字信號傳輸系統的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串擾的大小和噪聲的強弱，有助于直觀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；可以指示接收濾波器的調整，以減小碼間串擾，如：

眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串擾的強弱?！把劬Α睆埖脑酱?，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，噪聲將疊加在信號的水平域和垂直域上，造成水平抖動和幅度損耗，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。

圖15 噪聲對信號的影響

若同時存在碼間串擾 ，“眼睛”將張開得更小。與無碼間串擾時的眼圖相比，原來清晰端正的細線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，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，表示最大信號畸變。

（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跡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）對于利用信號過零點取平均來得到定時信息的接收系統，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范圍，這個變動范圍的大小對提取定時信息有重要的影響。

四、眼圖與誤碼率

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?？紤]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：

圖16 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：

圖17 眼睛張開度與誤碼率的關系

圖18 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。

五、眼圖的生成方法探討（泰克示波器）

一般而言，生成眼圖需要通過測量大量的數據，然后再從其中恢復得到。示波器測量眼圖中，經過前期的數據采集，其內存中可以獲得完整的數據記錄。然后，利用硬件或者軟件對時鐘進行恢復或提取得到同步時鐘信號，用此時鐘信號與數據記錄中的數據同步到每個比特，通過觸發恢復的時鐘，把數據流中捕獲的多個1 UI(單位間隔，相當于一個時鐘周期)的信號重疊起來，也即將每個比特的數據波形重疊，最后得到眼圖。示波器眼圖的形成示意圖如下：

圖19 示波器眼圖的形成原理

從上面的形成原理圖中可以看出，通過用恢復的時鐘信號等間隔的觸發數據記錄中的信號，將這些截取到的單位UI波形疊加在一起，就形成了眼圖。

通過以上的分析，從采集到的數據中恢復出時鐘信號對于眼圖的生成至關重要。因此，眼圖與CLK的關系如下：

（1）采樣示波器的CLK通常可能是用戶提供的時鐘，恢復時鐘，或者與數據信號本身同步的碼同步信號.

（2）實時示波器通過一次觸發完成所有數據的采樣，不需附加的同步信號和觸發信號。通常通過軟件PLL方法恢復時鐘.

因此，這里有必要介紹下時鐘恢復電路的功能（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）從接收到的數據流中恢復出原采樣時鐘信號

（2）利用恢復的時鐘信號來衡量輸入信號的時間、幅度等級等性能

（3）在輸入信號的時間和幅度等特性基礎上重新生成數據流，并且與恢復的時鐘信號或重新生成的系統時鐘同步。

目前，對于時鐘恢復的方法，大多數用到的是基于鎖相環的時鐘恢復方法。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：

圖20 鎖相環原理框圖

總體而言，鎖相環對于時鐘恢復的重要性可以體現在以下幾個方面：

（1）完全集成的，并且不需要外部的參考時鐘信號

（2）確保時鐘信號與數據同步

（3）對時鐘信號提供監視功能，當鎖相環失鎖時提供警報

（4）優化誤碼率——調整關于數據信號的時鐘相位

測試高速串行數據信號的眼圖與抖動的儀器都使用了基于鎖相環的時鐘恢復方法。其中，實時示波器主要使用軟件PLL來恢復參考時鐘，取樣示波器和誤碼率測試儀都使用硬件PLL來恢復時鐘。采用軟件恢復時鐘方法，捕獲長數據波形，將數據與恢復時鐘逐位比較，完成眼圖、抖動、誤碼率測試?？煞治霾东@的串行數據的每一個Bit位，避免了觸發抖動和硬件恢復時鐘抖動導致的測量不精確，CDR抖動和觸發抖動理論為0。

審核編輯：劉清