眼图是数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段

问题:

什么是眼图？它用在什么场合？反映了波形的什么信息？

解答:

眼图（Eye Diagram）可以显示出数字信号的传输质量，经常用于需要对电子设备、芯片中串行数字信号或者高速数字信号进行测试及验证的场合，归根结底是对数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段。消费电子中，芯片内部、芯片与芯片之间经常用到高速的信号传输，如果对应的信号质量不佳，将导致设备的不稳定、功能执行错误，甚至故障。眼图反映的是数字信号受物理器件、信道的影响，工程师可以通过眼图，迅速得到待测产品中信号的实测参数，并且可以预判在现场可能发生的问题。

1、眼图的形成

对于数字信号，其高电平与低电平的变化可以有多种序列组合。以3个bit为例，可以有000-111共8中组合，在时域上将足够多的上述序列按某一个基准点对齐，然后将其波形叠加起来，就形成了眼图。如图1。对于测试仪器而言，首先从待测信号中恢复出信号的时钟信号，然后按照时钟基准来叠加出眼图，最终予以显示。

图1. 眼图的形成

2、眼图中包含的信息

对于一幅真实的眼图，如图2，首先我们可以看出数字波形的平均上升时间(Rise Time)、下降时间(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/Crossing Percent)等基本的电平变换的参数。

图2. 电平变换参数

信号不可能每次高低电平的电压值都保持完全一致，也不能保证每次高低电平的上升沿、下降沿都在同一时刻。如图3，由于多次信号的叠加，眼图的信号线变粗，出现模糊(Blur)的现象。所以眼图也反映了信号的噪声和抖动：在纵轴电压轴上，体现为电压的噪声(Voltage Noise)；在横轴时间轴上，体现为时域的抖动(Jitter)。

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，在除去抖动和噪声的基础上，眼图上空白的区域在横轴上的距离称为眼宽(Eye Width)，在眼图上叠加的数据足够多时，眼宽很好的反映了传输线上信号的稳定时间；同理，眼图上空白的区域在纵轴上的距离称为眼高(Eye Height)，在眼图上叠加的数据足够多时，眼高很好的反映了传输线上信号的噪声容限，同时，眼图中眼高最大的地方，即为最佳判决时刻。

图4. 眼高和眼宽

数字信号在采样前后，需要有一定的建立时间(Setup Time)和保持时间(Hold Time)，数字信号在这一段时间内应保持稳定，才能保证正确采样，如图5.1中蓝色部分。而对于输入电平的判决，需要高电平的电压值高于输入高电平VIH，低电平的电压值地与输入低电平VIL，如图5.1中的绿色部分。所以，我们可以得知最早的采样时刻和最晚的采样时刻如图5.1和5.2所示。

图5.1采样和判决a

图5.2采样和判决b

在最佳采样时刻，采样的误码率是最低的，而随着采样时刻向时间轴两侧的移动，误码率不断增大，如图6所示。所以工程上也经常画出信号采样周期内误码率的变化曲线，称为澡盆曲线(Bathtub Curve)。

图6. Bathtub Curve

在实际测试时，为了提高测试效率，经常使用到的方法是Mask Testing。即根据信号传输的需求，在眼图上规定一个区域（如图7中的菱形区域），要求左右的信号全部出现在这个区域之外，一旦菱形区域内有出现信号，则宣布测试未通过。

图7. Mask Testing

幅度噪声可能会导致逻辑‘1’的电压或功率电平垂直波动，低于样点，导致逻辑‘1’码错误地标为逻辑‘0’码，即误码。抖动描述了相同的效应，但它是水平波动。抖动或定时噪声可能会导致码的边沿在水平方向中的样点内波动，导致错误。从这种意义上讲，抖动定义为一个数字信号在有效时点上距理想时间位置的短期变化。脉冲电压电平的波动源自不需要的调幅(AM)。类似的，转换的定时波动可以描述为脉冲相位波动、不需要的调相(PM)或相噪。在系统器件的定时方面，数据通信和电信技术并不相同。在同步系统中，如SONET/SDH，系统器件同步到公共的系统时钟。在信号通过网络传送时，不同器件生成的抖动会通过网络传播，除非对器件中传送的抖动提出严格的要求，否则抖动可能会无限制地提高。在异步系统中，如千兆位以太网、PCI Express和光纤通道，器件定时由分布式时钟提供或从数据转换中重建的时钟中提供。在这种情况下，必须限制器件生成的抖动，但从一个器件转移到另一个器件上的抖动则不太重要。不管是哪种情况，底线是系统的工作性能如何，即误码率。

图8 抖动大的眼图的交点，直方图是一个像素宽的交点块投射到时