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什么是眼图？全面掌握眼图原理和眼图测试
很多工程师都知道高速信号需要测量眼图。什么是眼图？眼图有什么作用？该如何分析眼图的好与坏？以及从眼图各种形状上，我们能知道哪些信息呢？现代的眼图分析软件又有哪些新的功能？今天是德科技示给大家一 一解答关于眼图测试的问题并介绍眼图模板和快速眼图测试的方法。多个视频演示眼图测试步骤，不要错过啦！
眼图基本知识
眼图的分析是数字系统信号完整性分析的关键之一。眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形，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。
什么是眼图？
眼图（Eye Diagram）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，从而估计系统优劣程度。
眼图 的 “眼睛” 张开的大小反映着码间串扰的强弱。 “眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。
图中：眼图的眼高代表噪声；眼宽代表抖动。
应用指南
通过了解类型、原因、组件特性和测量优势，有效减少其影响抖动。
如何快速设置眼图？
为什么眼图测试的必测参数之一是眼高？
上图是一个典型的眼图测试各指标的示意图。其中眼图眼高定义如下：
Eye Height = (PTopmean-3*PTopsigma)-(PBasemean+3*PBasesigma)
PTopsigma即为眼图波形顶部的噪声标准偏差或均方根值，PBasesigma为眼图波形底部的噪声标准偏差或均方根值。由此可见，眼高最终结果与波形噪声标准偏差有直接关系。
串扰是什么意思？
串扰是一种失真，主要来自与数据码型无关的幅度干扰。由于耦合效应，一个干净的信号（我 们称为“受扰信号”）可能受到“干扰”信号的串扰影响。干扰信号会使得受扰信号发生变 形，并让受扰信号的眼图闭合。工程师希望信号是串扰极小或完全没有串扰的干净信号，如此 才能获得张开的眼图，并进行准确无误的数据传输。如果受扰信号中存在串扰，那么这种干扰 会导致眼图闭合，从而使得设计裕量变得很小甚至测量结果错误（见下图 ）。串扰还会降低受扰信号的垂直幅度和水平抖动性能，导致通信链路中的互操作性问题愈发严重。
有串扰和没有串扰的受扰信号眼图。串扰会导致眼图闭合，从而降低设计裕量并可能造成设计的性能达不到技术指标。推荐阅读：
眼图原理及眼图作用
眼图实际上就是数字信号的一系列不同二进制码按一定的规律在示波器屏幕上累积后的显示，简单地说，由于示波器具有余辉功能，只要将捕获的所有波形按每三个比特分别地叠加累积，从而就形成了眼图。
8 种比特跳变组合及其层叠形成的眼图
眼图是查看抖动的最常用方式之一。可能的比特跳变组合总共有 8 种（见下图）。
眼图使用颜色分级来显示信号通过图中不同区域的频次高低，这提供了另一种查看时间间隔误差 TIE 频次的方法。通过眼图测试的张开度，您可以大致地查看有多少抖动。眼图张开度越大，信号中的抖动就越小。张开度越小，抖动就越多。
时间间隔误差TIE (Time Interval Error)，表示时钟的每个有效沿相对于理想位置的变化。
下图中显示了这样的一个例子。直方图中的着色区说明这个眼图有明显的计时误差，图中还表现出误差发生的大致频次。是德科技的实时眼图软件可以在仪器上自动生成这个眼图，使您可以很容易地看到随机抖动 RJ 和 确定性抖动DJ（或 PJ）对您的器件有何影响。
什么是随机抖动（RJ）？
谈到随机抖动（RJ）时，我们喜欢使用“发生抖动”这一表述方式。随机抖动终究是不可避免的，但我们可以对它进行表征。随机抖动呈现高斯分布（无界），它由三个原因共同造成。
首先，热噪声会引起随机抖动，可以描述为噪声 = kTB，其中 k 是玻尔兹曼常数，T 是开尔文温度，B 是系统带宽。
其次，散粒噪声（或泊松噪声）可导致 RJ。散粒噪声是由电子和空穴的量化造成的固有噪声，并且受到偏置电流的影响。
最后，“粉红”噪声会引起 RJ，它与频率成反比（1/f）。所有系统将具有某种程度的随机抖动。
什么是确定性抖动（DJ）？
确定性抖动是非随机的、有界的抖动，它由设计中的次序出现引起。此外，确定性抖动可以分成多个子分量，如：周期性抖动（PJ）、数据相关抖动（DDJ）、有界不相关抖动（BUJ）。下图所示为一个具有确定性抖动的系统实例。与随机抖动不同的是，确定性抖动的 PDF 通常有一个以上的峰。
图 3：由于此 PDF 有两个峰（双峰），因此我们可以判断，这个系统中同时存在 DJ 和 RJ。
是德科技的实时眼图软件可以自动生成信号的眼图。
问题：为什么捕获脉冲的时间越长，眼图“填充得就越满”？
眼图随着时间延长累积数据增加，这就是为什么看起来捕获脉冲的时间越长，眼图“填充得就越满”。您会看到眼图的张开度随着时间推移逐渐缩小，这是因为它正在捕获更多的抖动实例。但是，如果您的设计非常稳健，您应该不会看到太多变化。
推荐阅读：
创建眼图 - 眼图波形的采样过程
眼图是一种信号显示模式。这种模式不需要重复的波形，有助于确定噪声、抖动、 失真、信号强度以及许多其他测量结果。它能够给出系统性能的总体统计视图， 因为它查看的是比特流中每个比特组合的叠加结果。这种模式需要的是同步时钟 信号触发。每当发生触发事件时（允许示波器重新准备触发），示波器会对数据进 行采样，并且在屏幕上构建所有可能的 1 和 0 组合。全频时钟和分频时钟均可用于 触发，但是，如果码型的长度是时钟分频比的偶数倍，则眼图会缺少组合，因而 不完整。此外，如果将数据用作自身的触发信号，则眼图看起来可能完整，但示波 器只会在数据码型的上升沿上触发。想要得到精确的眼图测试结果，我们应当避免采用这种方式。
显示眼图的触发过程如图所示。
视频演示如何使用抖动分析和实时眼图测试
眼图和实时波形的区别
眼图在反映的是链路是传输的所有数字信号的整体特性。
- 实时波形能够反映波形的细节信息，如观察上升/下降边沿、过冲、单调性等。
- 眼图能够体现信号的整体特征。
- 实时波形很好，可以说明信号品质没有问题吗？不一定，只能代表某些比特。
- 眼图很好，可以说明信号品质没有问题吗？当然可以。代表整体。
观看视频，了解眼图是如何形成的？示波器眼图怎么调出来？如何使用示波器完成眼图测试？掌握快速眼图测试
眼图可以看出哪些性能指标？
在对于一个眼图进行好和坏的评估时，通常都有一些常见的衡量指标，比如眼高，眼宽，抖动，占空比等，如上图。通过对眼睛不同部位的表征，可以快速地判断和定性信号的问题。比如眼图跳变沿交叉点的上下区域可以代表占空比，如果上下区域比例不对称，则代表占空比的结果可能存在问题。
不同的眼图可以反映不同的信号质量，对于有经验的工程师可以从眼图上发现信号是否存在阻抗不匹配导致的反射，以及某种抖动成分偏大，甚至知道如何来优化眼图质量。总体来说：
• 眼图的张开度与抖动和误码率BER相关联；
• 眼图张开越大，表明对噪声和抖动的容许误差越大；
• 眼图张开越大，表明接收器判断灵敏度越好；
• 眼顶、眼底和转换区域宽表明接收器判断灵敏度降低
“张开”的眼图呢？以下从几个方面考虑：
(1)考虑 PCB 走线长度：短走线并非始终能够满足，短走线意味着低损耗
(2)考虑 PCB 走线宽度：宽走线可以降低趋肤效应
(3)减小板材的介电常数：降低介电损耗(Dielectric Loss)，但将增加成本
(4)信号预加重和均衡处理：通过对跳变位预加重(Pre-Emphasis)处理，补偿线路上 因信号跳变产生的针对高频分量的损耗
(5) 阻抗不连续造成的反射，阻抗匹配减少反射
如何评判眼图质量？
其实在评判眼图的质量时，一般遵循两个重要准则：
- 眼睛要大，如果配合上有眼图模板的话，那么以眼图模板当作瞳孔，则眼白（Margin）就必须要够多。
2. 如图中红绿色圆圈中交叉的部分必须要越小越好，最好是一个点，因为这里代表的是抖动，如果太大就会造成误码率增加。抖动越小则代表信号质量越好，发生误码的机率越低。
眼图测试模板
所谓的眼图模板主要是用在判断眼图是否符合规范的要求
有时候为了能简单直观地判断眼图指标是否符合要求，可以将规范定义的要求制作成一个模板，然后通过示波器来调用，便可以直接观察到眼图是否有接触到模板。如果没有接触到则表示眼图的指标符合规范要求，同样如果有接触到模板，也可以根据接触的位置针对性的改善。不需要像传统的测试方法去一一地测量眼图指标了。
“N1010A FlexDCA 远程访问软件能够在电脑上提供示波器、眼图/模板和抖动模式测量等功能。 功能强大的应用软件为 86100C DCA-J 和 86100D DCA-X 示波器提供了离线和连接测量功能。”
眼图的测试主要是用来检测高速串行传输的信号质量，不论是SATA、PCI Express还是USB，标准都有提供眼图模板的标准给工程师作为眼图测试的准则。如下图所示，是USB2.0 TX的眼图模板。图中ABCDEF6点所围成的六边形红色区域以及GH以上、IJ一下区域代表所谓的【禁止区域】。
如果眼图有任何信号波形位进入这些红色区域，则表示信号传输不满足协议规范的要求(绿色圆圈处)
”每个信号完整性工程师都会跑眼图模拟，看信号在特定测试情境下是否可以张开，最常见的问题就是怎么样叫眼睛张得够开？“
眼图与存储深度
通常眼图是由若干个比特(UI)组成，考虑到眼图测试的精度和稳定性，一般都要求累积到足够的UI数再分析，这个就涉及到示波器的存储深度。
越高的存储深度，示波器一次分析的UI数就会越多，测试结果也就越精准。因此在测量高速信号的眼图和抖动中，尽量采用高的存储深度。当然存储深度越高，示波器的分析速度相对也会变慢。
下图是Keysight实时示波器动态显示实时眼图的累积情况。眼图的左上角会显示累积的UI数以及示波器捕获的波形数。满足等式：
UI数 = 存储深度/采样率*信号速率*波形数
实时的眼图表现
另外，眼图既然是实时波形的叠加，对于眼图的分析也应该具有实时性。下图是Keysight实时示波器测出的眼图，在示波器窗口中能看到上半部窗口是实时波形的显示，下半部窗口是实时眼图的显示。这种同步实时性的显示功能可以让工程师更直观地对波形和眼图进行观察，更好地进行分析和调试工作。这种功能也是作为仪器厂商目前唯一支持的。
快速眼图测试 (一键式眼图测试)
当我们需要测试眼图时，需要先进行一系列的设置后才能形成波形的眼图，比如波形的大小调整、信号速率的设定以及阈值的设定等。对于一些关心测试效率或者需要做大量的信号眼图测试的用户来说，他们更希望可以最简单化地进行眼图测试，不用因为信号速率或者幅度不同每次都要重新进行眼图设置。是德科技示波器的软件不断创新和优化，增加了非常多的人性化功能。对于眼图测试，我们只需要通过鼠标或者触摸屏控制，一键式点击就可以快速地基于实时波形形成出眼图，为用户提供了非常便捷地方式。
下图是我们针对一个10 Gbps的高速信号，进行快速眼图测试，当波形显示出来后，只要点击 Analyze菜单下面的“Quick Eye Diagrams”就可以快速地形成信号的眼图。
眼图轮廓 Eye Contour - 误码率眼图
什么是眼图轮廓 Eye Contour功能？
眼图轮廓 Eye Contour 技术跟我们测量总体抖动差不多，也是采用 Dual-Dirac 双狄拉克模型。以测量出的实时眼图的中心为原点，然后对眼图进行多方位对角分割，计算出眼图在每条分割线的直方图，再通过对直方图的尾部进行拟合，就推算出更多样本数的分布，从而得到每条分割线上的不同误码率下的结果，最后将不同误码率下的结果分别地用线描绘在一起就得出了各个误码率的眼图轮廓。
现在对高速信号的眼图测试要求越来越高，以前工程师在测量眼图的时候，可能在捕获时间上有多有少的自行定义，来看眼睛的高度和宽度或者抖动等。现在很多的接口规范开始要求在一定误码率下来评估眼高和眼宽等，比如在OIF-CEI的标准里对 28 Gbps 信号的眼高眼宽要求，就定义在1e-15的误码率下。
下图是使用 Keysight 示波器对 V by One的信号进行眼图测试，该总线规范也要求了误码率1e-9下的眼图。在下面的眼图结果中可以看到不同误码率下的眼图轮廓，红色线就是误码率1e-9的眼图轮廓。
Keysight Infiniium 示波器在v5.60固件版本后增加了 Eye Contour(眼图轮廓)的功能，通过示波器捕获一定数量比特的数据，就可以分析描绘出不同误码率下的眼图轮廓。实时示波器――合规性测试Keysight Infiniium 示波器在v5.60固件版本后增加了 Eye Contour(眼图轮廓)的功能，通过示波器捕获一定数量比特的数据，就可以分析描绘出不同误码率下的眼图轮廓。
在更新到最新的Infiniium 11.40 Core Software后，您将可以通过在任何NRZ信号上使用Keysight eye contour软件来减少你的测量时间，在眼图上生成出不同误码率下的误码率预测等高线。
对比过去我们仅能在浴盆曲线（Y=0）的单一水平方向上看到一个2D的眼图趋势，新的增强功能能从测量信号中推测出噪声和抖动趋势，（让你不仅能在横向也能在纵向，以一个三维的视角看信号），以预测眼图将如何随时间的推移而关闭。
无需长时间等待，您仅需要设定您想达到的误码率BER，打开“Keysight eye contour”眼睛轮廓功能。让你的眼图bling bling起来！
Step 1
Step 2
结果
Multi-Channel Eye Measurement 多通道眼图测试
Keysight Infiniium示波器新的用户操作界面具有非常强大的功能，在眼图的测试中，能够同时对多通道的信号进行眼图测试，使得测试效率得到进一步提升。下图是采用Keysight S 系列示波器同时对 4 路VBO信号进行眼图测试，另外也可以对波形和眼图进行自定义显示和窗口的调整，非常具有人性化的特点。这种 Multi-Channel Eye Measurement 多通道眼图测试功能目前也只有 Keysight 的示波器支持。
眼图和误码率BER
在误码率（BER）的测试中，码型发生器会生成数十亿个数据比特，并将这些数据比特发送给输入设备，然后在输出端接收这些数据比特。然后，误码分析仪将接收到 的数据与发送的原始数据一位一位进行对比，确定哪些码接收错误，随后会给出一段时间内内计算得到的 BER。考虑误码率测试的需要，我们以下面的实际测试眼图为参考，以生成误码率BER图，参考眼图如下所示：
BER图是样点时间位置 BER(t)的函数，称为 BERT 扫描图或浴缸曲线。简而言之，它是在相对于参考时钟给定的额定取样时间的不同时间 t 上测得的 BER。参考时钟可以是信 号发射机时钟，也可以是从接收的信号中恢复的时钟，具体取决于测试的系统。以上述的眼图为参考，眼睛张开度与误码率的关系以及其 BER图如下：
眼睛张开度与误码率的关系
BER(T)扫描或浴缸曲线
上述两图中，BER 图与眼图时间轴相同，两侧与眼图边沿相对应，样点位于中心。BER 一定时，曲线之间的距离是该 BER 上的眼图张开程度。在样点接近交点时，抖动会导致 BER 提高到最大 0.5。
推荐阅读：
”如何通过了解类型、原因、组件特性和测量优势，有效减少其影响抖动。“
示波器实时眼图测试操作步骤
抖动分析功能获得许可时，您还可以执行实时眼图测试分析。
眼图是一个信号视图，其中的波形是通过数据速率触发的。 实时眼通过采集数据、执行时钟恢复并将连续的单位间隔叠加（折叠）到一个图中来完成此操作。 这是一个以色级形式表示的统计信息视图。 启用实时眼分析后，色级分析功能将不再可用。
我们以Keysight InfiniiVision 6000 X 系列示波器为例。要设置波形的实时眼分析，请执行以下操作：
1 按下 [Analyze] 分析键。
2 按下功能，然后选择实时眼。
3 再次按下功能以启用实时眼显示。
4 按下源软键以选择要分析的模拟通道。
5 按下时钟恢复 ... 软键以打开一个对话框，您可以在其中设置时钟恢复功能。
6 按下阈值软键并使用 " 测量阈值菜单 " 中的软键更改设置。
7 按下色级软键并使用 " 色级设置菜单 " 中的软键更改设置。
8 调整示波器的水平定标。
9 要开始进行采集，请按下自动设置软键。 要构建实时眼，请使用完整长度采集获取尽可能长的采集记录，从而获得尽可能准确的时钟恢复和眼测量结果。
10 要停止实时眼分析采集，请按下 [Stop] 停止前面板键。
启用了实时眼分析时，您可以按下 [Meas] 测量键，选择色级作为测量源，然后 添加这些实时眼测量 （使用色级数据库进行）：
• 眼高 — 眼图的垂直开合大小。 报告中心时间参考点处的开合。
• 眼宽 — 眼图的水平开合大小。 报告交叉中的最大开合。
要清除实时眼分析，请在 " 色级设置菜单 " 中按下重置色级软键。
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