問題:

什么是眼圖？它用在什么場合？反映了波形的什么信息？

解答:

眼圖（Eye Diagram）可以顯示出數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量，經(jīng)常用于需要對電子設(shè)備、芯片中串行數(shù)字信號或者高速數(shù)字信號進行測試及驗證的場合，歸根結(jié)底是對數(shù)字信號質(zhì)量的一種快速而又非常直觀的觀測手段。消費電子中，芯片內(nèi)部、芯片與芯片之間經(jīng)常用到高速的信號傳輸，如果對應(yīng)的信號質(zhì)量不佳，將導(dǎo)致設(shè)備的不穩(wěn)定、功能執(zhí)行錯誤，甚至故障。眼圖反映的是數(shù)字信號受物理器件、信道的影響，工程師可以通過眼圖，迅速得到待測產(chǎn)品中信號的實測參數(shù)，并且可以預(yù)判在現(xiàn)場可能發(fā)生的問題。

1、眼圖的形成

對于數(shù)字信號，其高電平與低電平的變化可以有多種序列組合。以3個bit為例，可以有000-111共8中組合，在時域上將足夠多的上述序列按某一個基準(zhǔn)點對齊，然后將其波形疊加起來，就形成了眼圖。如圖1。對于測試儀器而言，首先從待測信號中恢復(fù)出信號的時鐘信號，然后按照時鐘基準(zhǔn)來疊加出眼圖，最終予以顯示。

圖1.眼圖的形成

2、眼圖中包含的信息

對于一幅真實的眼圖，如圖2，首先我們可以看出數(shù)字波形的平均上升時間(Rise Time)、下降時間(Fall Time)、上沖(Overshoot)、下沖(Undershoot)、門限電平(Threshold/Crossing Percent)等基本的電平變換的參數(shù)。

圖2.電平變換參數(shù)

信號不可能每次高低電平的電壓值都保持完全一致，也不能保證每次高低電平的上升沿、下降沿都在同一時刻。如圖3，由于多次信號的疊加，眼圖的信號線變粗，出現(xiàn)模糊(Blur)的現(xiàn)象。所以眼圖也反映了信號的噪聲和抖動：在縱軸電壓軸上，體現(xiàn)為電壓的噪聲(Voltage Noise)；在橫軸時間軸上，體現(xiàn)為時域的抖動(Jitter)。

圖3.噪聲和抖動

由于噪聲和抖動，眼圖上的空白區(qū)域變小。如圖4，在除去抖動和噪聲的基礎(chǔ)上，眼圖上空白的區(qū)域在橫軸上的距離稱為眼寬(Eye Width)，在眼圖上疊加的數(shù)據(jù)足夠多時，眼寬很好的反映了傳輸線上信號的穩(wěn)定時間；同理，眼圖上空白的區(qū)域在縱軸上的距離稱為眼高(Eye Height)，在眼圖上疊加的數(shù)據(jù)足夠多時，眼高很好的反映了傳輸線上信號的噪聲容限，同時，眼圖中眼高最大的地方，即為最佳判決時刻。

圖4.眼高和眼寬

數(shù)字信號在采樣前后，需要有一定的建立時間(Setup Time)和保持時間(Hold Time)，數(shù)字信號在這一段時間內(nèi)應(yīng)保持穩(wěn)定，才能保證正確采樣，如圖5.1中藍(lán)色部分。而對于輸入電平的判決，需要高電平的電壓值高于輸入高電平VIH，低電平的電壓值地與輸入低電平VIL，如圖5.1中的綠色部分。所以，我們可以得知最早的采樣時刻和最晚的采樣時刻如圖5.1和5.2所示。

圖5.1采樣和判決a

圖5.2采樣和判決b

在最佳采樣時刻，采樣的誤碼率是最低的，而隨著采樣時刻向時間軸兩側(cè)的移動，誤碼率不斷增大，如圖6所示。所以工程上也經(jīng)常畫出信號采樣周期內(nèi)誤碼率的變化曲線，稱為澡盆曲線(Bathtub Curve)。

圖6. Bathtub Curve

在實際測試時，為了提高測試效率，經(jīng)常使用到的方法是Mask Testing。即根據(jù)信號傳輸?shù)男枨?，在眼圖上規(guī)定一個區(qū)域（如圖7中的菱形區(qū)域），要求左右的信號全部出現(xiàn)在這個區(qū)域之外，一旦菱形區(qū)域內(nèi)有出現(xiàn)信號，則宣布測試未通過。

圖7. Mask Testing

幅度噪聲可能會導(dǎo)致邏輯‘1’的電壓或功率電平垂直波動，低于樣點，導(dǎo)致邏輯‘1’碼錯誤地標(biāo)為邏輯‘0’碼，即誤碼。抖動描述了相同的效應(yīng)，但它是水平波動。抖動或定時噪聲可能會導(dǎo)致碼的邊沿在水平方向中的樣點內(nèi)波動，導(dǎo)致錯誤。從這種意義上講，抖動定義為一個數(shù)字信號在有效時點上距理想時間位置的短期變化。脈沖電壓電平的波動源自不需要的調(diào)幅(AM)。類似的，轉(zhuǎn)換的定時波動可以描述為脈沖相位波動、不需要的調(diào)相(PM)或相噪。在系統(tǒng)器件的定時方面，數(shù)據(jù)通信和電信技術(shù)并不相同。在同步系統(tǒng)中，如SONET/SDH，系統(tǒng)器件同步到公共的系統(tǒng)時鐘。在信號通過網(wǎng)絡(luò)傳送時，不同器件生成的抖動會通過網(wǎng)絡(luò)傳播，除非對器件中傳送的抖動提出嚴(yán)格的要求，否則抖動可能會無限制地提高。在異步系統(tǒng)中，如千兆位以太網(wǎng)、PCI Express和光纖通道，器件定時由分布式時鐘提供或從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中重建的時鐘中提供。在這種情況下，必須限制器件生成的抖動，但從一個器件轉(zhuǎn)移到另一個器件上的抖動則不太重要。不管是哪種情況，底線是系統(tǒng)的工作性能如何，即誤碼率。

圖8 抖動大的眼圖的交點，直方圖是一個像素寬的交點塊投射到時間軸上的投影

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)。可以把抖動看作從理想定時位置的、邏輯轉(zhuǎn)換的定時變化，如圖2中的直方圖所示。這一分布顯示了被不同抖動源模糊的理想定時位置。抖動分布是RJ和DJ概率密度函數(shù)的卷積。隨機抖動源自各種隨機流程，如熱噪聲和散粒噪聲，其假設(shè)遵守高斯分布，如圖3a所示。由于高斯分布的尾部擴展到無窮大，RJ的峰到峰值沒有邊界，而RJ的均方根則收斂到高斯分布的寬度上。

圖9 單個時點的抖動、正弦周期抖動和隨機抖動相結(jié)合，導(dǎo)致誤碼的實例

Ideal Transition Edge: 理想的轉(zhuǎn)換邊沿RJ Smeared Edge: RJ模糊的邊沿DJ Smeared Edge: DJ模糊的邊沿確定性抖動(DJ)包括占空比失真(DCD)、碼間干擾(ISI)、正弦或周期抖動(PJ)和串?dāng)_。DCD源自時鐘周期中的不對稱性。ISI源自由于數(shù)據(jù)相關(guān)效應(yīng)和色散導(dǎo)致的邊沿響應(yīng)變化。PJ源自周期來源的電磁撿拾，如電源饋通。串?dāng)_是由撿拾其它信號導(dǎo)致的。DJ的特色特點是，其峰到峰值具有上下限。DCD和ISI稱為有界相關(guān)抖動；Pj和串?dāng)_稱為不相關(guān)有界抖動；RJ稱為不相關(guān)無界抖動。識別不同類型的抖動來源，可以減少設(shè)計層次的問題，因為不同的器件以不同的方式生成抖動。例如，發(fā)射機主要生成RJ。外部調(diào)制的激光發(fā)射機生成的大多數(shù)抖動是由激光器和主參考時鐘的隨機抖動導(dǎo)致的。相反，接收機生成的絕大部分抖動是DJ，這源于導(dǎo)致ISI的前置放大器和后置放大器連接的AC耦合等因素。直接調(diào)制激光發(fā)射機受到RJ和DJ的影響。介質(zhì)采用兩種方式：光纖從色散中增加DJ，從散射中增加RJ；傳導(dǎo)介質(zhì)從有限帶寬中增加DJ，與低頻和多個反射相比，高頻的衰減要更高。