眼圖是什么？

眼圖，顧名思義，是一種長得很像眼睛的圖形。它是怎么形成的呢？這就要說到示波器的余輝模式。

我們?nèi)庋鄣乃⑿侣手挥?span>60Hz，有時無法察覺偶爾一閃而過的異常信號，余輝模式則能夠疊加顯示以前出現(xiàn)過的波形。而眼圖實際上就是將信號中的所有碼元分離出來并在屏幕上疊加顯示后的結(jié)果。

對于數(shù)字信號而言，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，有000~111共8種組合，在時域上將足夠多的上述序列按某一個基準點對齊，然后將其波形疊加起來就形成了眼圖。

有時為了讓眼圖更加清晰，我們還會打開色溫模式，這樣的眼圖將會具有明暗的層次感 ，色調(diào)越暖的部分說明信號出現(xiàn)的概率越高，也可以更加直觀地看出信號的噪聲、抖動等的分布情況。

眼圖測試的意義是什么？

在普通的波形測量過程中，我們分析的是某一段的細節(jié)信息，如上升沿、下降沿、過沖、周期等等，但隨著數(shù)字信號速率的提升，僅僅依靠普通的波形測量是不夠的，這是因為由于傳輸通道的損耗會出現(xiàn)波形位置不同，測量結(jié)果不同的情況，所以眼圖就成了常用的分析高速數(shù)字信號的方法。

它能夠體現(xiàn)信號的整體特征，通過它可以觀察到碼間串?dāng)_和噪聲干擾狀況，從而根據(jù)一些參數(shù)評價系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

眼圖的形態(tài)各式各樣，有“細長眼"、“大圓眼"、“單眼皮"、“雙眼皮"， 這主要由它的參數(shù)決定，如眼高、眼寬、眼幅度。

眼高指眼圖上空白的區(qū)域在縱軸上的大小，它能夠反映傳輸線上信號的噪聲容限。

眼寬指眼圖在水平軸所展開的大小，它能夠反映信號的總抖動。

眼幅度指1 電平與 0 電平的差值。

眼圖交叉比指交叉點到 0 電平的幅度與眼幅度的比值。

如何通過觀察眼圖形態(tài)評估系統(tǒng)性能？

在無碼間串?dāng)_和噪聲的理想情況下，波形不存在失真，每個碼元都重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線又細又清晰的“眼睛"，“眼睛"張開得很大。

當(dāng)有碼間串?dāng)_時，波形失真，碼元不重合，眼圖的跡線就會不清晰，引起“眼睛"部分閉合，若再加上噪聲的影響，眼圖的線條變得模糊，“眼睛"張開得也就小了。

因此，“眼睛"張開的大小能夠反映失真的程度以及碼間串?dāng)_的強弱。

眼圖測試

考慮到眼圖測試的精度，一般都需要累積到足夠的UI數(shù)再進行分析，這就對示波器的存儲深度提出了較高的要求。越高的存儲深度，示波器一次分析的UI數(shù)就會越多，測試結(jié)果也就越精準。

因此在測量高速信號的眼圖中需要盡量采用高的存儲深度。當(dāng)然，存儲深度越高，示波器的分析速度相對也會變慢。

作為示例，我們使用示波器SDS7804A H12（左）與任意波形發(fā)生器SDG7000A（右）進行眼圖測試。

SDS7804A H12的帶寬為8GHz,采樣率20GSa/s,具有12-bit分辨率以及500Mpts存儲深度；任意波形發(fā)生器SDG7000A的輸出頻率高達1GHz。

在測試界面中，首先要進行信號設(shè)置，包括對源的設(shè)置和電平的設(shè)置，查找電平可自動將電平設(shè)置在眼圖上升沿和下降沿交叉的位置。

眼圖模式下，有一個設(shè)置叫做時鐘恢復(fù)，這可是構(gòu)建眼圖的核心步驟，只有從數(shù)據(jù)中正確恢復(fù)出參考時鐘，找到基準點才能正確地描繪出眼圖。鼎陽的眼圖功能支持兩種時鐘恢復(fù)方式，分別為“恒定頻率"和“鎖相環(huán)"。

對于很多高速的串行總線信號來說，由于時鐘信息嵌入在數(shù)據(jù)流里，所以需要使用時鐘恢復(fù)功能先從數(shù)據(jù)流里提取出時鐘，然后以這個時鐘為基準對碼元進行疊加。

恒定頻率&鎖相環(huán)

 恒定頻率

通過最小二乘法對采集到的數(shù)據(jù)沿做線性擬合將時鐘恢復(fù)出來，速率模式有自動和手動，大多數(shù)情況下推薦使用自動模式。而當(dāng)信噪比比較差，示波器無法準確確定恢復(fù)時鐘時，推薦用戶根據(jù)實際情況手動輸入數(shù)據(jù)速率，而后示波器會以輸入速率作為參考來執(zhí)行時鐘恢復(fù)。

使用SDG7000A輸出一個PRBS信號，長度設(shè)置為8，比特率設(shè)置為600MHz，時鐘顯示為600MHz。

我們慢慢將比特率增大至610MHz，可以看到時鐘速率也隨著增大至610MHz，這就是自動模式 。

如下圖，手動模式中 ，假如輸入?yún)⒖嫉臄?shù)據(jù)速率為600MHz，可以看到示波器正確恢復(fù)了時鐘。那我們再將參考的輸入值與實際值的誤差調(diào)的大一點，設(shè)置參考值為580MHz，恢復(fù)出來的時鐘仍然是正確的。

但是當(dāng)我們把數(shù)據(jù)速率調(diào)成570MHz時，會發(fā)現(xiàn)此時顯示恢復(fù)出來的時鐘為607MHz。

由于示波器未找到正確的時鐘，因此眼圖也無法成功構(gòu)建，關(guān)于這個誤差其實并沒有一個確切的范圍，信噪比、波形比特率等都會對該誤差造成一定的影響。

設(shè)置完速率模式后繼續(xù)設(shè)置查找模式，其中“每一次"指示波器會對采集的每一幀都執(zhí)行一次時鐘恢復(fù)，每幀的眼圖都用對應(yīng)的恢復(fù)時鐘來構(gòu)建，并且每幀的眼圖會替換上一幀的眼圖。

我們來看看實際效果：當(dāng)小幅度改變信號頻率時，不僅時鐘會跟著變化，屏幕上的眼圖也不斷在更新替換。

當(dāng)選擇“第一次"時，示波器則會根據(jù)采集的第一幀來恢復(fù)時鐘，后續(xù)采集的每一幀都使用該時鐘來構(gòu)建眼圖，可以選擇只顯示最后一幀眼圖，也可以選擇“所有"，將所有幀的眼圖在屏幕上疊加顯示。

選擇“所有"后可以看到，當(dāng)小幅度改變信號頻率時，時鐘沒有任何變化，而眼圖卻出現(xiàn)了重疊，這是因為第一幀的恢復(fù)時鐘并不適用于所有幀。

鎖相環(huán)

“鎖相環(huán)"這種時鐘恢復(fù)方式是基于采集的數(shù)字信號，使用軟件鎖相環(huán)的方法計算出每個參考時鐘沿的位置。

因為鎖相環(huán)的方式對時鐘的變化有一定的跟蹤能力，所以可以去除抖動中的低頻成分，從而更接近實際串行信號接收端的實際情況。同樣的，在選擇“鎖相環(huán)"后需要選擇速率模式以及查找模式，與“恒定速率"情況一致，這里就不再贅述。

軟件鎖相環(huán)當(dāng)前支持一階，可通過配置截止因子來改變鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬。

對于這兩種時鐘恢復(fù)方式，恒頻時鐘由于設(shè)置簡單，易于使用，通常用于純凈數(shù)據(jù)信號的眼圖測量，但是要稍微使用深一點的內(nèi)存深度以便于觀察到更多頻率的抖動成分；而鎖相環(huán)的時鐘恢復(fù)方式需要用戶設(shè)置截止因子改變環(huán)路帶寬，設(shè)置稍復(fù)雜一點，但能夠更真實反映高速串行鏈路上接收端鎖相環(huán)看到的信號抖動情況，用戶可根據(jù)被測信號自行選擇時鐘恢復(fù)方式。

眼圖結(jié)果出來之后，打開“測量"可以看到，能夠測量的眼圖參數(shù)有很多，比如剛才提到的眼高、眼寬、眼幅值、眼圖交叉比，還有平均功率、時間間隔誤差、Q因子等。

模板測試

作為評估系統(tǒng)優(yōu)劣的方法，眼圖的操作步驟比較簡單，但是還有一種更簡單的測試方式——模板測試。

模板測試，即先將規(guī)范定義的要求制作成一個模板，然后通過示波器來調(diào)用，便可以直接觀察到眼圖是否有接觸到模板。

如果沒有接觸到則表示眼圖的指標符合規(guī)范要求，如果有接觸到模板，也可以根據(jù)接觸的位置進行針對性的改善，不需要重復(fù)測量。

使用內(nèi)置usb2.0模板

典型的模板定義由3部分區(qū)域組成，最上面的區(qū)域定義了對信號的最大幅度要求,最下面的區(qū)域定義了對信號的最小幅度要求，中間的區(qū)域則定義了對信號的眼圖張開度的要求。

總結(jié)：

眼圖是評估通信系統(tǒng)性能的重要工具。我們介紹了眼圖的參數(shù)、形態(tài)和測試方法，熟悉眼圖測試可以讓工程師和技術(shù)人員更好地評估和優(yōu)化通信系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的可靠性，為相關(guān)領(lǐng)域測試工作提供有力支持。

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