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信号完整性分析基础系列之一——关于眼图测量（上）汪进进美国力科公司深圳代表处内容提要：本文将从作者习惯的无厘头漫话风格起篇，从四个方面介绍了眼图测量的相关知识：一、串行数据的背景知识; 二、眼图的基本概念; 三、眼图测量方法; 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势。
全分为上、下两篇。
上篇包括一、二部分。
下篇包括三、四部分。
您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。
在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。
您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。
很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。
这种对于Sigtest的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。
在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。
那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。
之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。
刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。
网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。
“在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。
为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。
如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。
眼图综述报告-----------李洋目录1. 眼图的形成 (2)1.1 传统的眼图生成方法 (2)1.2 实时眼图生成方法 (3)1.3 两种方法比较 (4)2. 眼图的结构与参数介绍 (4)2.1 眼图的结构图 (4)2.2 眼图的主要参数 (5)2.2.1 消光比 (5)2.2.2 交叉点 (5)2.2.3 Q因子 (6)2.2.4 信号的上升时间、下降时间 (6)2.2.5 峰—峰值抖动和均方根值抖动 (6)2.2.6 信噪比 (6)3. 眼图与系统性能的关系 (7)4. 眼图与BER的关系 (7)4. 如何获得张开的眼图 (8)5. 阻抗匹配的相关知识 (9)5.1 串联终端匹配 (9)5.2 并联终端匹配 (10)6. 眼图常见问题分析 (10)7. 总结 (17)1.眼图的形成眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形，其形状类似于眼睛，故叫眼图。
在用余辉示波器观察传输的数据信号时，使用被测系统的定时信号，通过示波器外触发或外同步对示波器的扫描进行控制，由于扫描周期此时恰为被测信号周期的整数倍，因此在示波器荧光屏上观察到的就是一个由多个随机符号波形共同形成的稳定图形。
这种图形看起来象眼睛，称为数字信号的眼图。
示波器测量的一般信号是一些位或某一段时间的波形，更多的反映的是细节信息。
而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特性。
如下图：1.1 传统的眼图生成方法采样示波器的CLK通常可能是用户提供的时钟,恢复时钟,或者与数据信号本身同步的码同步信号.图：采样示波器眼图形成原理1.2 实时眼图生成方法实时示波器通过一次触发完成所有数据的采样,不需附加的同步信号和触发信号.通常通过软件PLL方法恢复时钟。
图：实时示波器眼图形成原理另一种示意图:图：实时示波器眼图形成原理1.3 两种方法比较1.传统的方法比实时眼图生产方法测量的速度要慢100至1000倍。
2.传统的眼图生成方法测量精度没有实时眼图生成方法高。
眼图测量的概念眼图测量是一种用于分析和评估数字通信系统的技术。
在数字通信中，信息以数字信号的形式传输，而数字信号由一系列离散的样本组成。
眼图测量通过显示和分析这些样本的时域波形，从而提供关于系统性能的重要信息。
在眼图中，每个数字信号样本被绘制为一个脉冲，这些脉冲被垂直堆叠在一起形成一个图像，类似于一个开放的眼睛。
每个脉冲代表着一个时刻的信号状态，而整个眼图则显示了多个时刻的信号状态的叠加。
通过观察眼图的形状、宽度和高度等特征，可以获得关于系统的多种信息。
眼图主要提供以下几个方面的信息：1. 时基抖动：眼图的开口宽度可以反映系统的时基抖动性能。
时基抖动是由于时钟不准确或传输路径中的噪声引起的，它会导致样本位置的不确定性。
如果眼图的开口很窄，意味着系统中存在较大的时基抖动，这可能会导致信号误码率的增加。
2. 眼图的对称性：眼图的对称性可以反映系统的码间干扰情况。
如果眼图两边的形状不对称，即开口宽度不一致，可能表明系统中存在码间干扰或码间失配。
码间干扰会导致信号间的互相干扰，增加误码率。
3. 眼图的噪声水平：眼图的噪声水平可以反映系统的噪声性能。
噪声会导致信号波形的不规则性和抖动，从而影响系统的可靠性和性能。
通过观察眼图的噪声水平，可以评估系统的抗噪声性能。
4. 采样时刻偏移：眼图可以显示信号采样时刻的偏移情况。
采样时刻偏移会导致信号样本的错位，从而影响信号的恢复和解调。
通过观察眼图的采样时刻偏移情况，可以判断系统是否存在采样时刻同步问题。
除了以上几个方面的信息，眼图还可以用于估计信号的传输带宽、检测系统中的串扰和非线性等问题。
通过对眼图的仔细分析，可以发现可能存在的问题，并采取相应的调整和优化措施，以提高系统的性能和稳定性。
眼图测量可以使用专用的示波器、时钟回路、采样仪等设备进行。
这些设备可以通过触发和同步功能来捕获和显示眼图。
通过调整样本时钟、增加采样速率、降低噪声等措施，可以改善眼图的质量和可读性，并获得更准确的眼图测量结果。
眼图——概念与测量（摘记）中文名称：眼图英文名称：eye diagram;eye pattern定义：示波器屏幕上所显示的数字通信符号,由许多波形部分重叠形成，其形状类似“眼”的图形。
“眼”大表示系统传输特性好；“眼”小表示系统中存在符号间干扰。
一．概述“在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。
为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。
在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。
当有码间串扰时，波形失真，码元不完全重合，眼图的迹线就会不清晰，引起“眼”部分闭合。
若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。
由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。
另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。
通常眼图可以用下图所示的图形来描述，由此图可以看出：（1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。
显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。
（2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜率越大，系统对定时抖动越敏感。
（3）眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。
(4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。
（5）在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决。
（6）横轴对应判决门限电平。
信号完整性分析基础系列之一——关于眼图测量（上）汪进进美国力科公司深圳代表处内容提要：本文将从作者习惯的无厘头漫话风格起篇，从四个方面介绍了眼图测量的相关知识：一、串行数据的背景知识; 二、眼图的基本概念; 三、眼图测量方法; 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势。
全分为上、下两篇。
上篇包括一、二部分。
下篇包括三、四部分。
您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。
在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。
您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。
很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。
这种对于Sigtest的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。
在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。
那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。
之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。
刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。
网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。
“在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。
为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。
如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。
实验12 眼图观察测量实验一、实验目的1.学会观察眼图及其分析方法，调整传输滤波器特性。
二、实验仪器1. 眼图观察电路（底板右下侧）2．时钟与基带数据发生模块，位号：G 3．噪声模块，位号E 4．100M双踪示波器1台三、实验原理在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善（通过调整）传输系统性能。
我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。
在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。
为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。
眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。
什么是眼图所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元时钟作为同步信号，基带信号一个或少数码元周期反复扫描在示波器屏幕上显示的波形称为眼图。
干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。
因为对于二进制信号波形，它很像人的眼睛故称眼图。
在图12-1中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真(码间串扰)。
图12-1中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。
眼图中央的垂直线表示取样时刻。
当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。
在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：+1或-1。
当波形有失真时，“眼睛”部分闭合，取样时刻信号取值就分布在小于+1或大于-1附近。
这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。
换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。
“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。
为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图12-2的形状。
由此图可以看出：(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；(2)眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感； (3)在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；(4)在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；(5) 阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。
力科示波器自定义眼高测量方法美国力科公司深圳代表处 曹刘 前言示波器的五大基本功能之一就是测量，通过示波器的测量功能可以直观地体现波形的基本特征，如波形的上升下降时间，幅值，周期，频率等等。
测量的方法包括使用光标，使用示波器自带的测量参数，必要时需使用其他特别的测量方法。
对于目前GHz 以上的信号，最常表征信号特征的方式就是使用眼图，通过观察，测量以及分析眼图就可以非常直观地了解信号质量，如比如幅度（包括噪声，过冲等）和时序（上升下降时间，抖动等）特征。
下面我们以眼高测量为例来介绍一台高端示波器在测量上的特点。
眼高参数定义与眼图相关的最重要的测量参数包括眼高，眼宽，1电平，0电平等等。
这些参数的定义，如下图所示，10电平表示选取眼图中间部分20%的UI 向垂直轴做直方图，其中出现概率最大点的高低电平分别定义为1点平和0电平，眼幅度即为“1”电平与“0”电平差值。
眼幅度减去高低电平标准偏差值的3倍即为眼高。
光标光标测量方法测量方法对于眼高的测量，示波器提供不同的方法，若用户对测试的准确度要求不高可以使用光标直接测量。
光标测量是从模拟示波器沿用过来的，特点时容易设置，直观，但是测试精度有限但是测试精度有限但是测试精度有限，，它无法利用示波器的处理精度与处理速度它无法利用示波器的处理精度与处理速度，，不同的使用者测量出来的结果的使用者测量出来的结果可能会差别很大可能会差别很大可能会差别很大。
我们可以说这种方法并不能真正反映真实的眼高，但在客户要求测量精度不高的情况下可以使用，非常直观。
One(Eye)Zero(Eye)自定义眼高测量有经验的工程师可能遇到过这种情况，就是眼图质量很差的情况下，比如眼图即将闭合时，眼高的测试有时候无法进行，或者说无法准确的测量出来，这个时候需要用户使用其他的方法来测试，下面我就给大家介绍一下自定义眼高测量，或称为手动测试方法。
1）如下图所示，示波器生成眼图之后，我们对眼图做垂直直方图，F8=Phistogram（Eye）；Step1:设置F8为eye的垂直直方图Step2：设为Vertical0电平的直方图分布1左上角的直方图即为0电平与1电平的直方图分布，如上图所示。
理解传统眼图参数理解传统眼图参数测量测量测量的局限的局限引论眼图参数，特别是眼高和眼宽，经常造成工程师的困惑，针对眼高眼宽以及其他像1电平、0电平等眼图参数的算法并不是通用的，因为他们假设眼图垂直片段上的电压分布很好的拟合高斯分布。
对于光信号，这是一个很好的假设。
实际上，眼图参数最初就是定义用在光信号上的，没有考虑ISI 等信号完整性的影响，通过电路板和互联器件传输的串行信号的眼图片段通常不是高斯分布的。
这样测试出来的眼高眼宽的结果可能不会返回正确的结果，这篇文章针对眼高测量，讨论为什么会发生这种状况，并且给读者避免这种状况的建议，相似的分析适用于眼宽，但是不在这篇文章中讨论。
眼图参数的算法基于高斯模型，使用眼图中心的3sigma 来定义眼高和眼宽。
描述光信号眼图时，这种算法工作的很好。
光眼图来自通过光纤路径传输光信号。
当然，当进入示波器时，光信号会被转换成电信号。
但是预期是眼图不会受到信号完整性的影响。
这些眼图一般都很干净，有很清晰的高低电平。
相对应的是，受到频率相关损耗导致的ISI 影响的信号形成的眼图，在这种状况下，眼高和眼宽会返回不准确的结果。
Teledyne Lecroy ，Agilent ，Tektronix 都使用相同的3sigma 推算算法，这种技术会在后面做详细描述。
备注：在写这篇文章的时候，我们正在考虑在未来的软件中怎样修正这个问题受ISI 影响的眼图例子影响的眼图例子下图1显示的是受通道中的ISI 影响的眼图，这个信号完整性影响导致信号会根据历史bit 位有不同的信号轨迹，这个信号是PRBS11，8Gbps NRZ 码型。
信号源的幅度设置为+/-300mv ，示波器测量的是经过过电路板上11英寸走线的信号。
信号通过通道后，信号幅度衰减减为大约+/-250mv ，但是由于历史bit 位的不同，0电平和1电平电压差异很大，这种特性是问题的根源。
图1右测的直方图显示的是眼图中间20%垂直片段的电压的分布状况。
1.眼图概述1.1.串行数据的传输串行信号种类繁多，如PCI Express、SPI、USB 等，其传输信号类型时刻在增加。
为何串行总线目前应用越来越广泛呢？相比并行数据传输，串行数据传输的整体特点如下：1)信号线的数量减少，成本降低2)消除了并行数据之间传输的延迟问题3)时钟是嵌入到数据中的，数据和时钟之间的传输延迟也同样消除了4)传输线的PCB 设计也更容易些5)信号完整性测试也更容易实际中，描述串行数据的常用单位是波特率和UI，串行数据传输示例如下：图串行数据传输示例例如：比特率为3.125Gb/s 的信号表示为每秒传送的数据比特位是3.125G 比特，对应的一个单位间隔即为1UI。
1UI表示一个比特位的宽度，它是波特率的倒数，即1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。
现在比较常见的串行信号码形是NRZ 码，因此在一般的情况下对于串行数据信号，我们的工作均是针对NRZ 码进行的。
2.眼图的形成原理眼图，是由于示波器的余辉作用，将扫描所得的每一个码元波形重叠在一起，从而形成眼图。
眼图中包含了丰富的信息，从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现了数字信号整体的特征，从而可以估计系统优劣程度，因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。
另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰，改善系统的传输性能。
目前，一般均可以用示波器观测到信号的眼图，其具体的操作方法为：将示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。
示波器一般测量的信号是一些位或某一段时间的波形，更多的反映的是细节信息，而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特征，两者对比如下图所示：图示波器中的信号与眼图如果示波器的整个显示屏幕宽度为100ns，则表示在示波器的有效频宽、取样率及记忆体配合下，得到了100ns 下的波形资料。
