問題:

什么是眼圖？它用在什么場(chǎng)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(hào)的傳輸質(zhì)量，經(jīng)常用于需要對(duì)電子設(shè)備、芯片中串行數(shù)字信號(hào)或者高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)試及驗(yàn)證的場(chǎng)合，歸根結(jié)底是對(duì)數(shù)字信號(hào)質(zhì)量的一種快速而又非常直觀的觀測(cè)手段。消費(fèi)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(hào)傳輸，如果對(duì)應(yīng)的信號(hào)質(zhì)量不佳，將導(dǎo)致設(shè)備的不穩(wěn)定、功能執(zhí)行錯(cuò)誤，甚至故障。眼圖反映的是數(shù)字信號(hào)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(cè)產(chǎn)品中信號(hào)的實(shí)測(cè)參數(shù)，并且可以預(yù)判在現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的問題。

1、眼圖的形成

對(duì)于數(shù)字信號(hào)，其高電平與低電平的變化可以有多種序列組合。以3個(gè)bit為例，可以有000-111共8中組合，在時(shí)域上將足夠多的上述序列按某一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)齊，然后將其波形疊加起來(lái)，就形成了眼圖。如圖1。對(duì)于測(cè)試儀器而言，首先從待測(cè)信號(hào)中恢復(fù)出信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)，然后按照時(shí)鐘基準(zhǔn)來(lái)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(duì)于一幅真實(shí)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(shí)間(Rise Time)、下降時(shí)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(hào)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(shí)刻。如圖3，由于多次信號(hào)的疊加，眼圖的信號(hào)線變粗，出現(xiàn)模糊(Blur)的現(xiàn)象。所以眼圖也反映了信號(hào)的噪聲和抖動(dòng)：在縱軸電壓軸上，體現(xiàn)為電壓的噪聲(Voltage Noise)；在橫軸時(shí)間軸上，體現(xiàn)為時(shí)域的抖動(dòng)(Jitter)。

圖3.噪聲和抖動(dòng)

由于噪聲和抖動(dòng)，眼圖上的空白區(qū)域變小。如圖4，在除去抖動(dòng)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(shí)，眼寬很好的反映了傳輸線上信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)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(shí)，眼高很好的反映了傳輸線上信號(hào)的噪聲容限，同時(shí)，眼圖中眼高最大的地方，即為最佳判決時(shí)刻。

圖4.眼高和眼寬

數(shù)字信號(hào)在采樣前后，需要有一定的建立時(shí)間(Setup Time)和保持時(shí)間(Hold Time)，數(shù)字信號(hào)在這一段時(shí)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(duì)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(shí)刻和最晚的采樣時(shí)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(shí)刻，采樣的誤碼率是最低的，而隨著采樣時(shí)刻向時(shí)間軸兩側(cè)的移動(dòng)，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(hào)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(shí)際測(cè)試時(shí)，為了提高測(cè)試效率，經(jīng)常使用到的方法是Mask Testing。即根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)男枨?，在眼圖上規(guī)定一個(gè)區(qū)域（如圖7中的菱形區(qū)域），要求左右的信號(hào)全部出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域之外，一旦菱形區(qū)域內(nèi)有出現(xiàn)信號(hào)，則宣布測(cè)試未通過。

圖7. Mask Testing

幅度噪聲可能會(huì)導(dǎo)致邏輯‘1’的電壓或功率電平垂直波動(dòng)，低于樣點(diǎn)，導(dǎo)致邏輯‘1’碼錯(cuò)誤地標(biāo)為邏輯‘0’碼，即誤碼。抖動(dòng)描述了相同的效應(yīng)，但它是水平波動(dòng)。抖動(dòng)或定時(shí)噪聲可能會(huì)導(dǎo)致碼的邊沿在水平方向中的樣點(diǎn)內(nèi)波動(dòng)，導(dǎo)致錯(cuò)誤。從這種意義上講，抖動(dòng)定義為一個(gè)數(shù)字信號(hào)在有效時(shí)點(diǎn)上距理想時(shí)間位置的短期變化。脈沖電壓電平的波動(dòng)源自不需要的調(diào)幅(AM)。類似的，轉(zhuǎn)換的定時(shí)波動(dòng)可以描述為脈沖相位波動(dòng)、不需要的調(diào)相(PM)或相噪。在系統(tǒng)器件的定時(shí)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(shí)鐘。在信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)傳送時(shí)，不同器件生成的抖動(dòng)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳播，除非對(duì)器件中傳送的抖動(dòng)提出嚴(yán)格的要求，否則抖動(dòng)可能會(huì)無(wú)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(shí)由分布式時(shí)鐘提供或從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中重建的時(shí)鐘中提供。在這種情況下，必須限制器件生成的抖動(dòng)，但從一個(gè)器件轉(zhuǎn)移到另一個(gè)器件上的抖動(dòng)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(dòng)大的眼圖的交點(diǎn)，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

器件生成的固有抖動(dòng)稱為抖動(dòng)輸出。其主要來(lái)源可以分為兩個(gè)：隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)和確定性抖動(dòng)(DJ)?？梢园讯秳?dòng)看作從理想定時(shí)位置的、邏輯轉(zhuǎn)換的定時(shí)變化，如圖2中的直方圖所示。這一分布顯示了被不同抖動(dòng)源模糊的理想定時(shí)位置。抖動(dòng)分布是RJ和DJ概率密度函數(shù)的卷積。隨機(jī)抖動(dòng)源自各種隨機(jī)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(kuò)展到無(wú)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(gè)時(shí)點(diǎn)的抖動(dòng)、正弦周期抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)相結(jié)合，導(dǎo)致誤碼的實(shí)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(dòng)(DJ)包括占空比失真(DCD)、碼間干擾(ISI)、正弦或周期抖動(dòng)(PJ)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(lái)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的特色特點(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)；RJ稱為不相關(guān)無(wú)界抖動(dòng)。識(shí)別不同類型的抖動(dòng)來(lái)源，可以減少設(shè)計(jì)層次的問題，因?yàn)椴煌钠骷圆煌姆绞缴啥秳?dòng)。例如，發(fā)射機(jī)主要生成RJ。外部調(diào)制的激光發(fā)射機(jī)生成的大多數(shù)抖動(dòng)是由激光器和主參考時(shí)鐘的隨機(jī)抖動(dòng)導(dǎo)致的。相反，接收機(jī)生成的絕大部分抖動(dòng)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(jī)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(gè)反射相比，高頻的衰減要更高。