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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——概念与测量（摘记）中文名称：眼图英文名称：eyediagram;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。
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。
眼图的概念眼图是指在频谱分析中常出现的一种信号特征，通常用来表示信号的带宽与中心频率。
它是通过对信号进行傅里叶变换后，在频域中观察信号的频谱特征得到的。
眼图主要用于对数字通信系统中的时域信号进行分析和评估，以了解信道传输性能和判断系统的可靠性。
眼图的原理是基于信号的采样和重构过程。
当信号经过采样和重新构造后，得到的信号会受到噪声和其他干扰的影响，因此在信号的波形上会出现一定的失真和扭曲。
而眼图可以通过观察信号的波形特征来判断信号的质量和误码率等性能指标。
眼图的基本形状是一串类似于“眼睛”的波形，其中包含了信号的多个周期。
在眼图中，通常可以观察到信号的上下垂直边界和左右水平边界，它们分别代表了信号的幅度和时间轴。
而眼图中的开口宽度和深度则代表了信号的峰-峰值（也即电平差）和噪声信号。
眼图的开口宽度反映了信号的峰-峰值。
如果开口很窄，代表峰-峰值很小，即信号的幅度很小。
而如果开口很宽，代表峰-峰值较大，即信号的幅度较大。
通过对眼图开口宽度的观察，可以判断信号的灵敏度和抗干扰能力。
眼图的深度则反映了信号中的噪声。
如果眼图深度很浅，代表噪声信号很小，即信号的质量很好。
而如果眼图深度很深，代表噪声信号很大，即信号的质量较差。
通过对眼图深度的观察，可以判断信号的信噪比和误码率。
眼图的另一个重要特征是眼图的跳动，即眼图上各个周期的变化。
这种跳动反应了信号在传输过程中的时钟偏移和抖动等问题。
通过对眼图跳动的观察，可以判断信号的时钟同步性和时钟失真程度。
眼图的分析主要通过眼图的偏移、闭合度和对称性等指标进行。
眼图的偏移表示了信号的直流偏移情况，可以判断信号的偏置和直流分量。
眼图的闭合度表示了信号的完整性，可以判断信号的时钟同步性和时延扩大情况。
而眼图的对称性表示了信号的对称性，可以判断信号的相位和频率稳定性。
在实际应用中，眼图常用于数字通信系统的调试和优化。
通过对眼图进行分析，可以发现系统中的时钟同步问题、噪声干扰问题和时域失真问题等，并采取相应的措施进行改进和优化。
眼图——概念与测量中文名称：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：眼图的重要性质（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。
电路中eye-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述眼图（Eye diagram）是电路中一种常用的信号分析工具，它可以直观地展示出数字信号的品质和传输效果。
在现代通信系统中，眼图被广泛应用于高速串行数据传输的评估和调试。
通过观察眼图的开口大小、噪声水平和信号失真情况，工程师可以更好地了解信号的质量，并进行相应的优化和改进。
眼图的形状对于判断信号传输的可靠性至关重要。
一个完整的眼图通常由交错的开口组成，类似于人的眼睛。
开口的大小代表了信号的幅度范围，而开口的位置则表示了信号的平衡情况。
当信号失真或受到干扰时，眼图的开口会变小或者变形，这表明数字信号的质量下降。
通过分析眼图的形态特征，工程师可以判断信号传输中存在的问题，并进一步进行故障定位和改进。
在电路设计和调试中，眼图的使用非常广泛，特别是在高速数据传输和时钟恢复等领域。
通过采集信号的波形数据，然后进行采样和重新组合，就可以生成眼图。
通过眼图，工程师可以看到数字信号在不同时间点的变化情况，并对信号的时序和整体稳定性进行分析。
总之，眼图是一种重要的电路分析工具，能够帮助工程师更好地认识和评估信号的质量。
通过对眼图的观察和分析，我们可以识别出信号传输中存在的问题，并采取适当的措施来改进和优化电路的性能。
接下来，本文将重点介绍电路中眼图的关键要点，并探讨其在实际应用中的意义和挑战。
1.2 文章结构文章结构部分的内容是对整篇文章的结构进行简要介绍和概述。
它可以包括以下信息：文章的整体篇幅和章节分布：介绍文章的总字数和章节划分，使读者能够了解文章的大致结构和篇幅。
各章节内容的概述：对文章中各个章节的主要内容进行简要介绍，让读者对整篇文章的内容有一个整体的概念。
章节之间的逻辑关系：说明各章节之间的逻辑联系和顺序，以便读者能够理解文章的思路和脉络。
注重的重点和亮点：指出文章中的重点部分和亮点，以激发读者的兴趣和引导读者关注重要的内容。
通过文章结构的介绍，读者可以迅速了解整篇文章的脉络和主要内容，从而更好地理解和阅读文章。
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——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。
”
二、眼图的一些基本概念
— “什么是眼图？”
“眼图就是象眼睛一样形状的图形。
图五 眼图定义”
眼图是用余辉方式累积叠加显示采集到的串行信号的比特位的结果，叠加后的图形形状看起来和眼睛很像，故名眼图。
眼图上通常显示的是1.25UI的时间窗口。
眼睛的形状各种各样，眼图的形状也各种各样。
通过眼图的形状特点可以快速地判断信号的质量。
图六的眼图有“双眼皮”，可判断出信号可能有串扰或预（去）加重。
图六“双眼皮”眼图
图七的眼图“眼睛里布满血丝”，这表明信号质量太差，可能是测试方法有错误，也可能是PCB布线有明显错误。
图七 “眼睛布满血丝”的眼图
图八的眼图非常漂亮，这可能是用采样示波器测量的眼图。
图八 最漂亮的“眼睛”
由于眼图是用一张图形就完整地表征了串行信号的比特位信息，所以成为了衡量信号质量的最重要工具，眼图测量有时侯就叫“信号质量测试（Signal Quality Test,SQ Test）”。
此外，眼图测量的结果是合格还是不合格，其判断依据通常是相对于“模板（Mask）”而言的。
模板规定了串行信号“1”电平的容限，“0”电平的容限，上升时间、下降时间的容限。
所以眼图测量有时侯又被称为“模板测试（Mask Test）”。
模板的形状也各种各样，通常的NRZ
信号的模板如图五和图八蓝色部分所示。
在串行数据传输的不同节点,眼图的模板是不一样的，所以在选择模板时要注意具体的子模板类型。
如果用发送端的模板来作为接收端眼图模板，可能会一直碰模板。
但象以太网信号、E1/T1的信号，不是NRZ码形，其模板比较特别。
当有比特位碰到模板时，我们就认为信号质量不好，需要调试电路。
有的产品要求100%不能碰模板，有的产品是允许碰模板的次数在一定的概率以内。
（有趣的是，眼图85%通过模板的产品，功能测试往往是没有问题的，譬如我在用的电脑网口总是测试不能通过，但我上网一直没有问题。
这让很多公司觉得不用买示波器做信号完整性测试以一样可以做出好产品来，至于山寨版的，更不会去买示波器测眼图了。
）示波器中有测量参数可自动统计出碰到模板的次数。
此外，根据“侵犯”模板的位置就能知道信号的哪方面有问题从而指导调试。
如图九表明信号的问题主要是下降沿太缓，图十表明1电平和0电平有“塌陷”，可能是ISI问题导致的。
图九 下降沿碰到模板的眼图
图十“1”电平和“0”电平有“塌陷”的模板和眼图相关的眼图参数有很多，如眼高、眼宽、眼幅度、眼交叉比、“1”电平，“0”电平，消光比，Q因子，平均功率等。
图十二表示幅度相关的测量参数的定义。
图十一 眼图参数定义
“1”电平和”0”电平表示选取眼图中间的20%UI部分向垂直轴投影做直方图，直方图的中心值分别为“1”电平和“0”电平。
眼幅度表示“1”电平减去“0”电平。
上下直方图的3sigm之差表示眼高。
图十二、十三、十四，十五表示了其它一些眼图参数的定义，一目了然，在此不再一一描述。
图十二眼图参数定义
图十三眼图参数定义
图
十四眼图参数定义
图十五 眼图参数定义
三、眼图测量方法（传统眼图测量方法）
之前谈到，眼图测量方法有两种：传统眼图测量方法用中文来理解是八个字：“同步触发+叠加显示”，现代眼图测量方法用中文来理解也是八个字：“同步切割+叠加显示”。
两种方法的差别就四个字：传统的是用触发的方法，现代的是用切割的方法。
“同步”是准确测量眼图的关键，传统方法和现代方法同步的方法是不一样的。
“叠加显示” 就是用模拟余辉的方法不断累积显示。
传统的眼图方法就是同步触发一次，然后叠加一次。
每触发一次，眼图上增加了一个UI，每个UI的数据是相对于触发点排列的，因此是每触发一次眼图上只增加了一个比特位。
图一形象表示了这种方法形成眼图的过程。
图一传统眼图测量方法的原理
传统方法的第一个缺点就是效率太低。
对于现在的高速信号如PCI-Express Gen2，PCI-SIG要求测量1百万个UI的眼图，用传统方法就需要触发1百万次，这可能需要几个小时才能测量完。
第二个缺点是，由于每次触发只能叠加一个UI,形成1百万个UI的眼图就需要触发1百万次，这样不断触发的过程中必然将示波器本身的触发抖动也引入到了眼图上。
对于2.5GBbps以上的高速信号，这种触发抖动是不可忽略的。
如何同步触发，也就是说如何使每个UI的数据相对于触发点排列？也有两种方法，一种方法是在被测电路板上找到和串行数据同步的时钟，将此时钟引到示波器作为触发源，时钟的边沿作为触发的条件。
另外一种方法是将被测的串行信号同时输入到示波器的输入通道和硬件时钟恢复电路(CDR)通道，硬件CDR恢复出串行数据里内嵌的时钟作为触发源。
这种同步方法引入了CDR抖动，这是传统方法的第三个缺点。
此外，硬件CDR只能侦测连续串行信号才能工作正常，如果被测信号不是连续的，譬如两段连续比特位之间有一段低电平，硬件CDR就不能恢复出正确的时钟。
另外，传统方法的工作原理决定了它不能对间歇性的串行信号做眼图，不能对保存的波形做眼图，不能对运算后的波形做眼图，这限制了应用范围。
这是传统方法的第四个缺点。
