1、眼圖基本概念
1.1 眼圖的形成原理
眼圖是一系列數(shù)字信號(hào)在示波器上累積而顯示的圖形，它包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，體現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)整體的特征，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度，因而眼圖分析是高速互連系統(tǒng)信號(hào)完整性分析的核心。另外也可以用此圖形對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_，改善系統(tǒng)的傳輸性能。
用一個(gè)示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)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(shí)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(hào)是一些位或某一段時(shí)間的波形，更多的反映的是細(xì)節(jié)信息，而眼圖則反映的是鏈路上傳輸?shù)乃袛?shù)字信號(hào)的整體特征，如下圖所示：
如果示波器的整個(gè)顯示屏幕寬度為100ns，則表示在示波器的有效頻寬、取樣率及記憶體配合下，得到了100ns下的波形資料。但是，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，分析這么短的時(shí)間內(nèi)的信號(hào)并不具有代表性，例如信號(hào)在每一百萬位元會(huì)出現(xiàn)一次突波（Spike），但在這100ns時(shí)間內(nèi)，突波出現(xiàn)的機(jī)率很小，因此會(huì)錯(cuò)過某些重要的信息。如果要衡量整個(gè)系統(tǒng)的性能，這么短的時(shí)間內(nèi)測量得到的數(shù)據(jù)顯然是不夠的。設(shè)想，如果可以以重復(fù)疊加的方式，將新的信號(hào)不斷的加入顯示屏幕中，但卻仍然記錄著前次的波形，只要累積時(shí)間夠久，就可以形成眼圖，從而可以了解到整個(gè)系統(tǒng)的性能，如串?dāng)_、噪聲以及其他的一些參數(shù)，為整個(gè)
系統(tǒng)性能的改善提供依據(jù)。
分析實(shí)際眼圖，再結(jié)合理論，一個(gè)完整的眼圖應(yīng)該包含從“000”到“111”的所有狀態(tài)組，且每一個(gè)狀態(tài)組發(fā)生的次數(shù)要盡量一致，否則有些信息將無法呈現(xiàn)在屏幕上，八種狀態(tài)形成的眼圖如下所示：
由上述的理論分析，結(jié)合示波器實(shí)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?dāng)_等影響），如下所示：
如果這八種狀態(tài)組中缺失某種狀態(tài)，得到的眼圖會(huì)不完整，如下所示：
通過眼圖可以反映出數(shù)字系統(tǒng)傳輸?shù)目傮w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(duì)眼圖中所涉及到的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行定義，了解了各個(gè)參數(shù)以后，其判斷方法很簡單。
1.2 眼圖參數(shù)定義
相關(guān)的眼圖參數(shù)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，各個(gè)參數(shù)如下圖所示：
眼幅度表示“1”電平信號(hào)分布與“0”電平信號(hào)分布平均數(shù)之差，其測量是通過在眼圖中央位置附近區(qū)域（通常為零點(diǎn)交叉時(shí)間之間距離的20%）分布振幅值進(jìn)行的。
眼寬反映信號(hào)的總抖動(dòng)，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(diǎn)（Crossing Point）間的時(shí)間差。交叉點(diǎn)之間的時(shí)間是基于信號(hào)中的兩個(gè)零交叉點(diǎn)處的直方圖平均數(shù)計(jì)算而來，每個(gè)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差是從兩個(gè)平均數(shù)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(xì)介紹如消光比等一些復(fù)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(tǒng)計(jì)平均的比值，其計(jì)算公式可以是如下的三種：
隨著交叉點(diǎn)比例關(guān)系的不同，表示不同的信號(hào)1或0傳遞質(zhì)量的能耐。如下圖所示，左邊圖形為不同交叉比例關(guān)系的眼圖，對(duì)應(yīng)到右邊相關(guān)的1及0脈沖信號(hào)。同時(shí)也可以了解到在不同脈沖信號(hào)時(shí)間的寬度與圖交叉比例的關(guān)系。
對(duì)于一般的信號(hào)而言，平均分布信號(hào)位準(zhǔn)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(hào)脈沖1與0長度為標(biāo)準(zhǔn)，來作相關(guān)參數(shù)的驗(yàn)證。因此，根據(jù)眼交叉比關(guān)系的分布，可以有效地測量因不同1及0信號(hào)位準(zhǔn)的偏差所造成的相對(duì)就振幅損失分析。例如，眼交叉比過大，即傳遞過多1位準(zhǔn)信號(hào)，將會(huì)依此交叉比關(guān)系來驗(yàn)證信號(hào)誤碼、屏蔽及其極限值。眼交叉比過小，即傳遞過多0位準(zhǔn)信號(hào)，一般容易造成接收端信號(hào)不易從其中抽取頻率，導(dǎo)致無法同步，進(jìn)而產(chǎn)生同步損失。
（3）信號(hào)上升時(shí)間與下降時(shí)間
一般測量上升及下降時(shí)間是以眼圖占20%～80%的部分為主，其中上升時(shí)間如下圖，分別以左側(cè)交叉點(diǎn)左側(cè)(20%)至右側(cè)(80%)兩塊水平區(qū)間作此傳遞信號(hào)上升斜率時(shí)間之換算，計(jì)算公式如下： 上升時(shí)間平均（80%時(shí)間位準(zhǔn)）-平均（20%時(shí)間位準(zhǔn)）
我們知道，時(shí)間位準(zhǔn)20%及80%是與信號(hào)位準(zhǔn)1及0有著相關(guān)性的。當(dāng)然，如果上升時(shí)間愈短，即愈能表現(xiàn)出眼圖中間的白色區(qū)塊，即代表可傳遞的信號(hào)及容忍誤碼比率較好。 而對(duì)于眼圖下降時(shí)間如下圖所示，分別以右側(cè)交叉點(diǎn)左側(cè)(80%)至右側(cè)(20%)兩塊水平區(qū)間作此信號(hào)傳遞下降斜率時(shí)間之換算，計(jì)算公式如下： 下降時(shí)間平均（20%時(shí)間位準(zhǔn)）-平均（80%時(shí)間位準(zhǔn)）
如同上升時(shí)間一般，如果下降時(shí)間愈短，亦愈能表現(xiàn)出眼圖中間的白色區(qū)塊，可以傳遞的信號(hào)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(shù)，它的定義是接收機(jī)在最佳判決門限下信號(hào)功率和噪聲功率的比值，可適用于各種信號(hào)格式和速率的數(shù)字信號(hào)，其計(jì)算公式如下：
示波器觀測到的抖動(dòng)如下圖所示。圖中為抖動(dòng)大的眼圖的交點(diǎn)，其直方圖是一個(gè)像素寬的交點(diǎn)塊投射到時(shí)間軸上的投影。理想情況下應(yīng)該為一個(gè)點(diǎn)，但由于碼元的水平波動(dòng)，導(dǎo)致其形成了一個(gè)區(qū)域。
器件生成的固有抖動(dòng)稱為抖動(dòng)輸出。其主要來源可以分為兩個(gè)：隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)和確定性抖動(dòng)(DJ)，其中確定性抖動(dòng)(Deterministic Jitter)又可以分為周期性抖動(dòng)（Periodic Jitter）、占空比失真（Duty Cycle Distortion）、碼間干擾（Inter-Symbol Interference）和串?dāng)_。DCD源自時(shí)鐘周期中的不對(duì)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(hào)導(dǎo)致的。DJ的主要特點(diǎn)是，其峰到峰值具有上下限。DCD和ISI稱為有界相關(guān)抖動(dòng)，Pj和串?dāng)_稱為不相關(guān)有界抖動(dòng)，而RJ稱為不相關(guān)無界抖動(dòng)。另外，抖動(dòng)分布是RJ和DJ概率密度函數(shù)的卷積。
分析抖動(dòng)以及其具體產(chǎn)生原因?qū)⒂兄谠谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的減少抖動(dòng)產(chǎn)生的影響，同時(shí)可以確定抖動(dòng)對(duì)BER的影響，并保證系統(tǒng)BER低于某個(gè)最大值，通常是
1.3 眼圖與系統(tǒng)性能
當(dāng)接收信號(hào)同時(shí)受到碼間串?dāng)_和噪聲的影響時(shí)，系統(tǒng)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(hào)的“眼圖”對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行定性的、可視的估計(jì)。由眼圖可以觀察出符號(hào)間干擾和噪聲的影響，具體描述如下：
眼圖對(duì)于展示數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串?dāng)_的大小和噪聲的強(qiáng)弱，有助于直觀地了解碼間串?dāng)_和噪聲的影響，評(píng)價(jià)一個(gè)基帶系統(tǒng)的性能優(yōu)劣；可以指示接收濾波器的調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_，如：
眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱?！把劬Α睆埖脑酱螅已蹐D越端正，表示碼間串?dāng)_越??；反之表示碼間串?dāng)_越大。當(dāng)存在噪聲時(shí)，噪聲將疊加在信號(hào)上，觀察到的眼圖的線跡會(huì)變得模糊不清。若同時(shí)存在碼間串?dāng)_ ，“眼睛”將張開得更小。與無碼間串?dāng)_時(shí)的眼圖相比，原來清晰端正的細(xì)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?dāng)_越大，眼圖越不端正。
理論分析得到如下幾條結(jié)論，在實(shí)際應(yīng)用中要以此為參考，從眼圖中對(duì)系統(tǒng)性能作一論述：
（1）最佳抽樣時(shí)刻應(yīng) 在 “眼睛” 張開最大的時(shí)刻。
（2）對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。斜率越大，對(duì)定時(shí)誤差就越靈敏。
（3）在抽樣時(shí)刻上，眼圖上下兩分支陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號(hào)畸變。
（4）眼圖中央的橫軸位置應(yīng)對(duì)應(yīng)判決門限電平。
（5）在抽樣時(shí)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(yīng)電平的噪聲容限，噪聲瞬時(shí)值超過它就可能發(fā)生錯(cuò)誤判決。
（6）對(duì)于利用信號(hào)過零點(diǎn)取平均來得到定時(shí)信息的接收系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小表示零點(diǎn)位置的變動(dòng)范圍，這個(gè)變動(dòng)范圍的大小對(duì)提取定時(shí)信息有重要的影響。
1.4 眼圖與誤碼率
在數(shù)字電路系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送出多個(gè)比特的數(shù)據(jù)，由于多種因素的影響，接收端可能會(huì)接收到一些錯(cuò)誤的比特（即誤碼）。錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)與總的比特?cái)?shù)之比稱為誤碼率，即Bit Error Ratio，簡稱BER。誤碼率是描述數(shù)字電路系統(tǒng)性能的最重要的參數(shù)。在GHz比特率的通信電路系統(tǒng)中（比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求BER小于或等于
BER圖是樣點(diǎn)時(shí)間位置BER(t)的函數(shù)，稱為BERT掃描圖或浴缸曲線。簡而言之，它是在相對(duì)于參考時(shí)鐘給定的額定取樣時(shí)間的不同時(shí)間t上測得的BER。參考時(shí)鐘可以是信號(hào)發(fā)射機(jī)時(shí)鐘，也可以是從接收的信號(hào)中恢復(fù)的時(shí)鐘，具體取決于測試的系統(tǒng)。以上述的眼圖為參考，眼睛張開度與誤碼率的關(guān)系以及其BER圖如下：
上述兩圖中，BER圖與眼圖時(shí)間軸相同，兩側(cè)與眼圖邊沿相對(duì)應(yīng)，樣點(diǎn)位于中心。BER一定時(shí)，曲線之間的距離是該BER上的眼圖張開程度。在樣點(diǎn)接近交點(diǎn)時(shí)，抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致BER提高到最大0.5。
2、眼圖的生成方法探討
一般而言，生成眼圖需要通過測量大量的數(shù)據(jù)，然后再從其中恢復(fù)得到。示波器測量眼圖中，經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)采集，其內(nèi)存中可以獲得完整的數(shù)據(jù)記錄。然后，利用硬件或者軟件對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行恢復(fù)或提取得到同步時(shí)鐘信號(hào)，用此時(shí)鐘信號(hào)與數(shù)據(jù)記錄中的數(shù)據(jù)同步到每個(gè)比特，通過觸發(fā)恢復(fù)的時(shí)鐘，把數(shù)據(jù)流中捕獲的多個(gè)1 UI(單位間隔，相當(dāng)于一個(gè)時(shí)鐘周期)的信號(hào)重疊起來，也即將每個(gè)比特的數(shù)據(jù)波形重疊，最后得到眼圖。示波器眼圖的形成示意圖如下：
從上面的形成原理圖中可以看出，通過用恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)等間隔的觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄中的信號(hào)，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(shù)據(jù)中恢復(fù)出時(shí)鐘信號(hào)對(duì)于眼圖的生成至關(guān)重要。因此，眼圖與CLK的關(guān)系如下：
（1）采樣示波器的CLK通?？赡苁怯脩籼峁┑臅r(shí)鐘，恢復(fù)時(shí)鐘，或者與數(shù)據(jù)信號(hào)本身同步的碼同步信號(hào)。
（2）實(shí)時(shí)示波器通過一次觸發(fā)完成所有數(shù)據(jù)的采樣，不需附加的同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)。通常通過軟件PLL方法恢復(fù)時(shí)鐘。
因此，這里有必要介紹下時(shí)鐘恢復(fù)電路的功能：
（1）從接收到的數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出原采樣時(shí)鐘信號(hào) ；
（2）利用恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)來衡量輸入信號(hào)的時(shí)間、幅度等級(jí)等性能 ；
（3）在輸入信號(hào)的時(shí)間和幅度等特性基礎(chǔ)上重新生成數(shù)據(jù)流，并且與恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)或重新生成的系統(tǒng)時(shí)鐘同步。
目前，對(duì)于時(shí)鐘恢復(fù)的方法，大多數(shù)用到的是基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘恢復(fù)方法。鎖相環(huán)包括鑒相器（phase detector）、環(huán)路濾波器（loop filter）、壓控振蕩器（voltage controlled oscillator，簡稱VCO）三個(gè)基本部分組成，其基本的原理框圖如下所示：
總體而言，鎖相環(huán)對(duì)于時(shí)鐘恢復(fù)的重要性可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）完全集成的，并且不需要外部的參考時(shí)鐘信號(hào) ;
（2）確保時(shí)鐘信號(hào)與數(shù)據(jù)同步 ;
（3）對(duì)時(shí)鐘信號(hào)提供監(jiān)視功能，當(dāng)鎖相環(huán)失鎖時(shí)提供警報(bào) ;
（4）優(yōu)化誤碼率——調(diào)整關(guān)于數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)鐘相位。
參考來自下述文章：
Phase-Locked Loop (PLL) necessary for clock recovery:
Fully integrated and does not require an external reference clock.
Ensure alignment of the clock with the middle of a data word.
Monitors the CR and provides a Loss-of-Lock (LOL) alarm when the PLL loses lock.
for Optimized bit error rate (BER) – adjust clock phase relative to the data signal.
測試高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)的眼圖與抖動(dòng)的儀器都使用了基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘恢復(fù)方法。其中，實(shí)時(shí)示波器主要使用軟件PLL來恢復(fù)參考時(shí)鐘，取樣示波器和誤碼率測試儀都使用硬件PLL來恢復(fù)時(shí)鐘。采用軟件恢復(fù)時(shí)鐘方法，捕獲長數(shù)據(jù)波形，將數(shù)據(jù)與恢復(fù)時(shí)鐘逐位比較，完成眼圖、抖動(dòng)、誤碼率測試。可分析捕獲的串行數(shù)據(jù)的每一個(gè)Bit位，避免了觸發(fā)抖動(dòng)和硬件恢復(fù)時(shí)鐘抖動(dòng)導(dǎo)致的測量不精確，CDR抖動(dòng)和觸發(fā)抖動(dòng)理論為0。
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