示波器眼圖的基本原理和相關概念

眼圖的定義與作用

眼圖（Eye Diagram）是通過余輝方式累積疊加串行信號比特位形成的圖形，因形狀類似眼睛而得名。它蘊含著豐富的信號信息，能直觀反映碼間串擾和噪聲對數字信號的影響，是高速互連系統信號完整性分析的核心工具。工程師可依據眼圖調整接收濾波器特性，減小碼間串擾，優化系統傳輸性能。

眼圖的形成原理

數字信號的高、低電平變化存在多種序列組合，以 3 個比特為例，就有 000 到 111 共 8 種組合。在時域中，將足夠多的這類序列按某一基準點對齊并疊加，便形成了眼圖。

傳統生成方法

傳統方法是 “每次觸發疊加一個 UI（單位時間間隔）”，雖原理簡單，但會將儀器觸發電路的抖動引入測量，導致結果不夠精確。

新生成方法

新方法采用 “同步切割＋疊加顯示”：示波器先捕獲連續比特位信號，通過軟件 PLL 恢復時鐘，再利用恢復的時鐘對捕獲信號按比特位切割并疊加。該方法解決了觸發抖動問題，處理 UI 多且速度快。

數據邊沿提取：獲取捕獲數據的最大值（Max）和最小值（Min），設閾值 Threshold=0.5*(Max+Min)，記錄信號穿過閾值的時間 Edgetime_initial [i]。當碼元速率高導致采樣點少、誤差大時，需在閾值附近插值。處理噪聲干擾可采用觸發粘滯比較法，即信號大于高電平為高，小于低電平為低，否則保持不變。

時鐘恢復：這是眼圖抖動生成的關鍵，寬帶示波器常用三種方式。黃金鎖相環（軟件 PLL）可調節恢復時鐘頻率，補償頻率變化，支持一、二級 PLL 且參數可調；常數時鐘恢復通過預置碼元速率結合數據邊沿，用最小二乘法擬合，需加濾波器消除低頻抖動；外部時鐘恢復直接用外部同步時鐘，適合源同步信號測試。

眼圖相關概念

單位時間間隔（UI）

指 1 個比特數據的周期（碼率）。

碼型

常見的有歸零碼、非歸零碼（NRZ）和雙極性碼，本文以 NRZ 為例介紹。

概率密度函數（PDF）

工程上用直方圖統計，標準差 σ 表示數據偏離均值 μ 的程度，3σ 包含至少 99% 的概率信息，眼圖參數測量多以此為參考。

眼圖關鍵參數

眼幅度和眼高度

眼幅度=Level1?Level0（Level1 和 Level0 為眼圖高、低電平，是 UI 中間 20% 區域垂直方向 PDF 概率最高的位置）。

眼高度=(Level1?3σ1)?(Level0+3σ0)，利用 3σ 位置確定。

品質因子和誤碼率

品質因子（Q 因子）：反映眼圖信噪比，Q=(Level1?Level0)/(σ1+σ0)，值越高，眼圖質量和信噪比越好。

誤碼率（BER）：由 Q 因子通過高斯誤差函數計算，信噪比 SNR=20Log (Q)（dB）。

眼寬度

指水平兩個眼交叉點之間的水平距離，單位為秒，反映信號總抖動，抖動大則眼寬小。

上升時間、下降時間和占空比

上升 / 下降時間：根據頂值（Vtop）和底值（Vbase）確定閾值，測量上升沿（低到高）和下降沿（高到低）的平均水平距離。

占空比：通過計算上升和下降時間相關的時間差得到。

交叉幅度和交叉比

交叉幅度：眼交叉點（UI 邊界位置統計的概率分布點）對應的幅度平均值。

交叉比：交叉幅度與眼幅度的比例，標準信號通常為 50%。

抖動分析

抖動概念

指數字信號瞬時變化相對于理想位置的偏移。

分析方法

常用波形直方圖、時間間隔誤差（TIE）直方圖、TIE 趨勢圖和抖動頻譜圖等。TIE 表示時鐘有效沿相對理想位置的變化。

抖動分類

隨機抖動（Rj）：符合高斯分布，由熱噪聲等引起，無界。

確定性抖動（Dj）：非高斯分布且有界，可分解為周期性抖動（Pj，與周期信號相關）、占空比失真抖動（DCD，因上升 / 下降時間不對稱等導致）、碼間干擾抖動（ISI，與傳輸鏈路效應等相關，又稱數據相關抖動）。

浴盆曲線

反映眼圖開度與誤碼率的關系，Y 軸為誤碼率（對數坐標），X 軸為采樣時刻（1UI 范圍）。確定性抖動形成平坦部分，隨機抖動形成斜坡部分，可用于分析不同誤碼率下的總體抖動。

眼圖分析能有效評估高速互連系統性能，為系統優化提供關鍵依據。