信号完整性分析基础系列之一__关于眼图测量(全)
信号完整性分析基础系列之一——眼图测量
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）。
眼图测量
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
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。
眼图--概念与测量
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。
眼图测试
实验二数字光纤通信系统信号眼图测试一．实验目的1.了解眼图产生的基础，根据眼图测量数字通信系统性能的原理；2.学习通过数字示波器调试、观测眼图;3.掌握判别眼图质量的指标;4.熟练使用数字示波器和误码仪。
二．实验原理眼图是估计数字传输系统性能的一种十分有效的实验方法。
这种方法已广泛应用于数字通信系统，在光纤数字通信中也是评价系统性能的重要实验方法。
眼图是在时域进行的用示波器显示二进制数字信号波形的失真效应的测量方法。
图2.1是测量眼图的装置图。
由Aς5233X误码仪产生一定长度的伪随机二进制数据流（AMI码、H∆B3码、PZ码、NPZ码）调制单模光产生相应的伪随机数据光脉冲并通过光纤活动连接器注入单模光纤，经过光纤传输后，再与光接收机相接。
光接收机将从光纤传输的光脉冲变为电脉冲，并输入到Aς4451（500MHζ）示波器，示波器显示的扫描图形与人眼相似，因此称为眼图。
用眼图法测量系统时应有多种字型，可以采用各比特位上0和1出现的概率相等的随机数字信号进行测试。
Aς5233X误码仪用来产生伪随机数字序列信号。
在这里“伪随机”的意义是伪随机码型发生器产生N比特长度的随机二进制数字信号是数字序列在N 比特后发生重复，并不是测试时间内整个数字序列都是随机的，因此称为“伪随机”。
伪随机序列如果由2比特位组成，则共有四种组合，3比特数字信号有8种组合，N比特数字信号有2N个组合。
伪随机数字信号的长度为2N-1，这种选择可保证字型不与数据率相关。
例如N可取7、10、15、23、31等。
如果只考虑3比特非归零码，应有如图2.2所示的8种组合。
将这8种组合同时叠加，就可形成如图2.3所示的眼图。
图2.1 眼图测量装置许多数字通信系统的重要性能可以从眼图测试中得到。
为了理解眼图测量原理，考虑图2.4所示简化的眼图，可以得到关于信号幅度失真、定时抖动和系统上升时间等系统性能参数。
接收信号的最佳取样时间是纵向眼开度最大的时刻t1。
眼图测量分析
眼圖之量測分析引言眼圖是一項時間分析工具，讓使用者能夠清楚看見時間和強度的誤差。
在真實生活中，諸如抖動之類的誤差非常難以量化，因為經常改變，而且非常小。
因此，眼圖非常利於尋找最大抖動以及電壓強度的誤差，如圖一所示。
圖一、眼圖檢視的抖動和電壓雜訊示意圖誤差增加時，眼圖中心的白色空間就會縮小。
那個空間由兩項特性所定義：眼寬(Eye Width)和眼高(Eye Height)。
圖二中白色空間的寬度就稱為眼寬。
因此，眼圖由數量足夠的樣本構成（數百萬個時間段落轉換），眼寬就是用來度量在任何指定的時間期間內、資料線穩定的時間長度的良好工具。
這樣可以了解可允許的保存時間和建立時間有多少。
最後完成的眼圖中的白色空間的高度就稱為眼高。
如果眼圖由數量足夠的樣本構成（數百萬個時間段落轉換），眼高可以指出接收器的VIH和VIL必須位於何處，才能正確地對資料取樣。
數位訊號轉換的品質越好，眼圖中的開放白色空間越大。
換言之，眼寬和眼高應該盡可能地大。
圖二、眼圖的高度及寬度示意圖實驗原理其形狀似人的眼睛，因此被稱爲眼圖。
而檢視數位傳輸器的輸出三個時間段落，即可建構出眼圖。
圖三中的眼圖是將所有可能的0與1的組合疊在一條線段上，而完成建構。
圖三、數位訊號對應之眼圖在數位系統中，時間是最重要的因素之一。
數位通訊的可靠性和準確性都是根據其時間功能的品質而定。
在真實世界的數位通訊系統中，有許多時間上的誤差，其中最重要的兩個是抖動(Jitter)和飄移(Drift)。
分別以抖動(Jitter)及飄移(Drift)敘述之：一、抖動(Jitter)抖動(Jitter)是指與事件的理想時間的誤差，通常是從參考訊號的過零點(Zero-Crossing)進行測量。
抖動通常歸因於串音(Cross-Talk)、同時切換輸出，以及其它週期性發生的干擾訊號。
由於抖動會隨著時間而變化，如圖四所示，因此對抖動的測量及量化有多種進行方式，從目測幾秒鐘內的抖動範圍，到以數據進行的測量（例如根據長時間的標準誤差）。
眼图基础知识ppt课件
辅助设备 待测设备
转接
小板
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PC
探头1 探头2 探头3
示波器
高速
示波器
探头1
转接 小板
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12
眼图测试-模板
高速
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全速
13
案例分析-串22欧电阻
1.5m
6.5m
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NG
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案例分析-串共模电感
1.5m
3.5m
6.5m
PASS
PASS
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眼图基础知识分享
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1
目录
1. 关于USB
2. 眼图的定义
3. 眼图测试方法
4. 如何获得张开大的眼图
5. 眼图常见问题
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2
USB-电气特性
速率 输出电流 幅度 上升时间
低速 1.5Mbps 500mA 3.3V 75-300ns
全速 12Mbps 500mA
3.3V
4-20ns
高速 480Mbps 500mA 400mV 500ps
应用 键盘、鼠标
触摸框 U盘、硬盘
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3
USB--物理特性
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4
USB-接口定义
引脚编号 信号名称 缆线颜色
1
Vcc
红
2 Date-（D-） 白
3 Date+（D+） 绿
4
Ground
黑
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5
USB-全速和低速设备识别
反映波形的细节
体现信号的整体特征
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9
【信号完整性测试方法】时域测试(波形、眼图、抖动、TDR、时序)要求 及 仪器设备
【信号完整性测试方法】时域测试（波形、眼图、抖动、TDR、时序）要求及仪器设备信号完整性测试方法简介信号完整性设计，在电路板设计过程中备受重视。
熟悉各类测试方法的特性，按照测试对象的特征和需求，选用合适些测试方法，对于选择方案，验证效果能够大大提高效率。
目前信号完整性的测试方法较多，从大的方向有频域测试、时域测试、其它测试。
（3类方法不是任何情况下都适合使用，信号完整性的测试方法，需要用到的仪器也很多。
）时域测试时域测试涵盖波形测试、眼图测试、抖动测试、TDR测试、时序测试。
01波形测试波形测试：是信号完整性测试最基础的方法，通常使用示波器进行测试。
测试波形的幅度、毛刺、边沿等。
通过测试波形的特征，分析幅度、边沿时间等指标是否满足要求。
波形测试需要遵循一定要求，才能保证测试误差尽量小。
⏹主机和探头一起配套的带宽要满足要求。
基板上测试系统的带宽应该在测试信号带宽的3倍以上。
在工程实践中，有的工程师随意找些探头就测试，不同厂家的探头匹配不同厂家的示波器，综合情况测试系统的误差就会很大。
⏹其次，需要注重细节。
如测试点一般选择在接收器件的附近，若条件限制无法测试，像BGA封装这类的器件，需要放在靠近Pin脚的PCB走线上或者Via上。
间隔接收器件PIn脚太远，信号发射，可能会促使测试结果和实际真实信号差异较大。
探头的接地线，也尽可能选择短的地线等。
⏹最后，应该考虑匹配。
主要关于使用同轴电缆测试的应用场景，同轴接到示波器上，负载常规是50Ω阻抗的直流耦合，对于有的电路，需要直流偏置，直接将测试系统接入会导致电路工作状态有影响，最终导致测试不到正常的波形。
02眼图测试眼图测试：针对有相关规范要求的接口（USB、SATA、HDMI、光接口）等。
通过具有MASK的示波器（含通用示波器、采样示波器、信号分析仪）。
这类示波器内部具有的时钟提取功能，能够显示眼图。
然而对于没有MASK的示波器，需要使用外接时钟实现触发。
优利德高速信号完整性之抖动分析和眼图 说明书
高速信号完整性测试之抖动分析和眼图JITTER ANAL YSIS&EYE DIAGRAM高速信号完整性测试的意义随着电子技术的飞速发展，数字信号的传输速率不断提升，码元周期（一个码元的持续时间或周期）越来越窄。
使得信号在传输过程中更容易受到各种干扰和损耗。
信号完整性测试能够帮助工程师准确评估信号质量，预测系统在实际运行中的性能，从而在设计阶段就避免潜在的问题。
通过信号完整性测试，可以优化电路设计、选择合适的元器件和布线方式，提高系统的抗干扰能力和稳定性。
高速串行总线介绍优势：1.并行总线时钟速率物理限制在1GHz至2GHz左右，因为单个时钟和数据线引入的偏斜会在更高的速率下导致误码。
串行总线有效的解决了这个问题;2.以差分信号进行传输，有很高的共模抑制比;3.使用嵌入式时钟，免除时钟与数据传输的延时误差;4.多条串行链路可以连贯地捆绑在一起，使之有更高的数据吞吐量，PCB布线也更加简洁;5.更长的传输距离，更快地传输速度。
如USB3.2单条lane传输速率可以达到10Gbps，更高的USB4.0可以达到20Gbps。
劣势：1.码元周期越来越窄，信号高于5Gbps时，信号质量会给模拟设计带来极大的挑战；码元：数字通信系统中的基本单位，一个码元可包括一位二进制数“1”、“0”，也可包括二位二进制数“00”、“01”、“10”、“11”，当然也可包括三位及以上二进制数。
这个码元的持续时间长度就是码元周期，码元周期越窄，信号速率越高，因为单位时间内传输更多的码元需要更短的码元周期。
2.需要使用高质量的PCB、连接器和线缆才能保证高速信号完美的传输；3.设计高速串行链路时需要考虑采用合适的技术来最大限度地减少信号失真；在如此快速的信号环境中，信号完整性测试就变得尤为重要。
特别是数据的抖动以及使用眼图进行信号质量的评估，是工程师最常用最直接的方法。
高速信号中的抖动抖动的概念：抖动指的是信号理想边沿和实际边沿之间的偏差。
信号完整性分析-眼图分析
图 示波器实际观测到的眼图 如果这八种状态组中缺失某种状态，得到的眼图会不完整，如下所示：
图 示波器观测到的不完整的眼图 通过眼图可以反映出数字系统传输的总体性能，可是怎么样才能正确的掌握其判断方 法呢？这 里有必要对眼图中所涉及到的各个参数进行定义，了解了各个参数以后，其判断方法很简单。 1.3 眼图参数定义 通过上述对眼图形成理论的分析，我们可以知道眼图中通常显示的是 1.25UI 的时间窗口，眼图 的形状各种各样，通过眼图的形状特点可以快速地判断信号的质量。因此，这里 有必要好好理 解下眼图的相关参数，从而可以根据这些参数来判别眼图的好坏，从而可以衡量系统的性能。 眼图相关的参数有很多，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，各个参数如下图中所示：
图 眼图信号交叉点比例关系 随着交叉点比例关系的不同，表示不同的信号 1 或 0 传递质量的能耐。如下图所示， 左边图形 为不同交叉比例关系的眼图，对应到右边相关的 1 及 0 脉冲信号。同时也可以了 解到在不同脉
冲信号时间的宽度与图交叉比例的关系。
图 不同眼交叉比与脉冲信号的关系 对于一般的信号而言，平均分布信号位准 1 及 0 是最常见的。一般要求眼图交叉比为50%，即 以相同的信号脉冲 1 与 0 长度为标准，来作相关参数的验证。因此，根据眼交叉比关系的分 布，可以有效地测量因不同 1 及 0 信号位准的偏差所造成的相对振幅损失分析。 例如，眼交叉 比过大，即传递过多 1 位准信号，将会依此交叉比关系来验证信号误码、屏蔽及其极限值。眼 交叉比过小，即传递过多 0 位准信号，一般容易造成接收端信号不易从其中抽取频率，导致无 法同步，进而产生同步损失。 （3）信号上升时间与下降时间 一般测量上升及下降时间是以眼图占 20%～80%的部分为主，其中上升时间如下图，分别以左 侧交叉点左侧(20%)至右侧(80%)两块水平区间作此传递信号上升斜率时间之换 算，计算公式如 下：
信号完整性分析基础系列之关于眼图测量概论
信号完整性分析基础系列之关于眼图测量(上)作者：汪进进来源：不详发布时间：2010-3-17 11:47:24 [收藏] [评论]信号完整性分析基础系列之关于眼图测量(上)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，19 62年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。
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）。
二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。
眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。
眼图及信号完整性
一般通信系统基本模型
接收设备将这些信号转换成电信号，通过解调器，就可以还原 基带信号，同样可以将它们放进存储器存储。这可以理解成网络 视频在我们的电脑上的缓存，缓存中的信号通过解码就可将数字 信号转换成各种量化的台阶信号。 最后将台阶信号进行填补恢复，我们就有可以得到原来的输入 的模拟波形了，由此我们就完成了一次通信。 如果模拟信号不需要数字化，那么我们可以进行模拟调制，同 样可以发送出去，这个过程要简单些。
眼图和通信质量的关系
眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有 用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强 弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价 一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调 整，以减小码间串扰。 （ 1 ）最佳抽样时刻应 在 “眼睛” 张开最大的时刻。 （ 2 ）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。 斜率越 大，对定时误差就越灵敏。 （ 3 ）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直 高度，表示最大信号畸变。 （ 4 ）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。 （ 5 ）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根 线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声 瞬时值超过它就可能发生错误判决。
眼图定义
• 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。 • 所属学科： 通信科技（一级学科） ； 通信原理与基本技术（二级学科）
什么是信号完整性(signal integrity) 信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完 整性是指当在需要的时 候，具有所必需达到的电压电平数值。差 的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板 级设计中多种 因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、 串扰等。
眼图测量
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眼图基本概念
串行数据的背景
眼图测量方法
眼图基本概念
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
图三
图三
眼图测试方法
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眼图测试方法
传统方法
现代方法
传统方法
同步触发+叠加显示
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 “Single-Bit Eye”,每触发一次眼图上只增加了一个比特位。
能有串扰或预（去）加重
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
漂亮的眼图 双眼皮眼图
漂亮的眼图
串行数据的背景知识
一个单位间隔（1UI）表示为一个比特位的
宽度是波特率的倒数，1UI=1/（3.125Gb/s） =320ps。现在比较常见的串行信号码形是 NRZ码。正电平表示”1”，负电平表示“0”。 图三所示是示波器捕获到的一组串行信号， 虚线之间的时间间隔代表了一个UI，图中对 应的码型是101100101010001。
现代方法
示波器首先捕获一组连续比特位的信号，然后用软件PLL方法恢复出时钟，最
SI-list【中国】信号完整性基础▏眼图（EyeDiagram）
SI-list【中国】信号完整性基础▏眼图（EyeDiagram）眼图（Eye Diagram）可以显示出数字信号的传输质量，经常用于需要对电子设备、芯片中串行数字信号或者高速数字信号进行测试及验证的场合，归根结底是对数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段。
消费电子中，芯片内部、芯片与芯片之间经常用到高速的信号传输，如果对应的信号质量不佳，将导致设备的不稳定、功能执行错误，甚至故障。
眼图反映的是数字信号受物理器件、信道的影响，工程师可以通过眼图，迅速得到待测产品中信号的实测参数，并且可以预判在现场可能发生的问题。
1.眼图的形成对于数字信号，其高电平与低电平的变化可以有多种序列组合。
以3个bit为例，可以有000-111共8中组合，在时域上将足够多的上述序列按某一个基准点对齐，然后将其波形叠加起来，就形成了眼图。
如图1。
对于测试仪器而言，首先从待测信号中恢复出信号的时钟信号，然后按照时钟基准来叠加出眼图，最终予以显示。
图1. 眼图的形成2.眼图中包含的信息对于一幅真实的眼图，如图2，首先我们可以看出数字波形的平均上升时间(Rise Time)、下降时间(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/Crossing Percent)等基本的电平变换的参数。
图2. 电平变换参数信号不可能每次高低电平的电压值都保持完全一致，也不能保证每次高低电平的上升沿、下降沿都在同一时刻。
如图3，由于多次信号的叠加，眼图的信号线变粗，出现模糊(Blur)的现象。
所以眼图也反映了信号的噪声和抖动：在纵轴电压轴上，体现为电压的噪声(Voltage Noise)；在横轴时间轴上，体现为时域的抖动(Jitter)。
图3. 噪声和抖动由于噪声和抖动，眼图上的空白区域变小。
如图4，在除去抖动和噪声的基础上，眼图上空白的区域在横轴上的距离称为眼宽(Eye Width)，在眼图上叠加的数据足够多时，眼宽很好的反映了传输线上信号的稳定时间；同理，眼图上空白的区域在纵轴上的距离称为眼高(Eye Height)，在眼图上叠加的数据足够多时，眼高很好的反映了传输线上信号的噪声容限，同时，眼图中眼高最大的地方，即为最佳判决时刻。
眼图测量
眼图测量masks can be used for compliance testingEye patterns generally display a time window of approximately 1.25 UI同步触发＋叠加Eye WidthEyeAmplitudeEye HeightOne LevelZero Level眼宽眼高眼幅度眼交叉比“1”电平“0”电平消光比Q-factor平均功率PercentageOne(Eye)Zero(Eye)One(Eye)Zero(Eye)1 2 SNR （Eye)=20Log （Qfactor(Eye))BER(Eye)=0.5erfc(Qfactor(Eye)/2)One(Eye)100%Zero(Eye)0%One(Eye)Zero(Eye) ER(Eye)=10Log(One(Eye)/Zero(Eye)))80%20%Q factor =EyeBER =Q 因子是用于测量眼图信噪比的参数。
(与OSFTP-9 标准相一致)Q 因子具体是由以下公式计算得到：由眼幅度（“1”电平的平均值µ1减去“0”电平的平均值µ0）除以“1”信号噪声有效值（σ1）与“0”信号噪声有效值（σ0）之和。
EyeBER 是通过眼图用来评估误码率的参数。
EyeBER 是计算“1”电平概率分布与“0”电平概率分布的重叠部分所占的比例，由百分比来表示。
同步触发＋叠加显示同步：硬件CDR恢复出理想时钟触发：时钟的上升沿作为触发源触发一次，叠加一个ＵＩ。
1. In the traditional eye pattern, data is aligned with respect to the trigger point.2. The eye pattern is formed from multiple acquisitions.3. Aligning data with respect to the trigger and combining multiple acquisitions introduces instrument trigger jitter.4. Instrument trigger jitter results in measurement inaccuracy.Block of continuousserial data acquiredBits are separatedusing softwareclock recoveryOverlapped bits form the eye pattern41. This method is immune to trigger jitter because data is aligned with the unit interval, not the trigger.2. Multiple acquisitions (multiple triggers) can be used and still no trigger jitter will be introduced because data from those acquisitions are not combined using a trigger point reference.Segments overlayed to form eye patternZERO TRIGGER JITTER1Oscilloscope AcquisitionWindow011010001101110001Trigger Point1st Aquisition2nd Aquisition3rd Aquisition4th Aquisition5th AquisitionEye PatternOscilloscope Acquisition Window(Trigger Point is Irrelevant)Step 1:Blocks of continuous serial data acquiredEye Pattern Displayed110011Step 2:Bits are separated using software clock recoveryStep 3:Overlapped bits form the eye patternTraditional Eye Pattern (TEP):•Is 100-1000x slower than RTE•Provides lower measurement accuracy than RTE •Introduces trigger jitter•Introduces CDR jitter (when using CDR)•Does not allow for edge timing measurements to be performed during eye pattern testing•Events that occur on consecutive bits are not Real Time Eye (RTE):•Is 100-1000x faster than TEP•Provides higher measurement accuracy than TEP•Trigger jitter is completely eliminated (trigger jitter = 0 ps)•CDR jitter is completely eliminated (CDR jitter = 0 ps)•Allows edge timing (jitter) measurements to be performed Historical note: The real time eye was first implemented on an oscilloscope by LeCroy Corporation (in 2002). Today, all major oscilloscope vendors (followed in 2003, 2004) use this method to form eye patterns on high performance real time scopes.ConventionalTrigger and CDR jitter: 150ps p-pLeCroy SDA 6000Low jitter reveals detailDeterministic jitter Random jitterSame Fibre Channel 1063 source was used to produce both eye patt ernsTransmit Data Receive DataIEEE 1394 transmit and receive data blocks Traditional Eye Pattern combines Transmit andReceive dataTransmit and Receive data in eye patternTransmit or receive data canbe extracted by zoomingZooming can isolate transmit or receive dataContinuous bit eye patternrendering of Zoom trace canisolate Transmit or ReceivedataThis view could not be achieved usingtraditional eye pattern methodsReceive data block isolated in eye pattern用户自定义模板可用免费的Polymask软件图形化设计或用免费的Masks Database Editor数据库编辑器数字化设计.可直接输入至SDA进行容限测试.Step 1: 首先关闭示波器应用软件，然后在示波器中直接运行Mask Database EditorStep 5: 添加新的眼图模板Step 6: 修改参数后点击OK, 重新运行示波器软件即可电信号测试选择Absolute在软件的菜单中出现的名字Ø眼图测量是衡量高速信号质量的最常用方法力科是业界最先采用软件恢复时种的方法来形成眼图的，而现在这种方法已成为眼图测量的行业标准Ø力科示波器的眼图测量操作界面非常的简洁快速, 而且不需要利用第三方面软件，眼图的测试结果显示在示波器显示界面上，不需要打开第三个窗口Ø力科示波器测量眼图的速度快，不管当前捕获的数据样本数是400Kpts，还是4Mpts，都能一次利用所有的这些数据形成眼图。
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信号完整性分析基础系列之一_——关于眼图测量(全)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）。
二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。
眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。
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。
图一眼图（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。
”是该专门写篇文章详细讲解眼图了！写得不正确、不到位的地方，恳请大家指正，以使这篇文章将能不断修改完善，有益于广大工程师们的学习。
一、串行数据的背景知识串行信号种类繁多，在图二所示的有PCI Express,Rapid IO,DVI,S-ATA,USB,SDH,XAUI，等，其实现在的流行总线还远不止这些。
每年都出来一些新流行的串行总线。
每些总线差不多都有一个权威机构来定义该总线的信号标准和测试规范，这些机构成员多是由来自于不同公司的专家兼职担任。
当然，关于PC的串行总线差不多由Intel来领导。
图三所示某基于Intel Chipset的笔记本电脑的框架图中的各种总线,除了DDR和FSB是并行数据之外,其它都是串行数据了。
这些权威机构除了定义规范，当然也会有一些利益博弈。
所以有新的利益集团(这是一个中性的词)策划推广的时候就可能有新的总线规范出台，这就象3G有三种标准一样。
你方唱罢我登场，搞得下游厂商手忙脚乱。
串行数据总线越来越多，权威机构定义的测试规范也纷繁芜杂，我一直觉得该将这么多的权威机构统一为一个权威机构，就叫“串行总线国际工程师协会”好了，如果力科最先发起并领导这个协会，然后定义一系列的串行信号测试规范中都只推荐力科示波器，那么亲爱的朋友们，这个Day Dream的最终结果是什么？示波器行业也许会重新大洗牌。
人们总相信权威机构推荐的，譬如我们平时用牙膏等都会相信“中华医学会”之类的推荐.信号速率不断加倍再加倍，2004年我刚到力科的时候，主流的串行信号速率在PC行业是2.5Gb/s，在通信行业是3.125Gb/s，如今，PC行业已Double到5Gb/s，通信行业已Double 到6.25Gb/s，而且PC行业的8Gb/s，通信行业的12.5Gb/s似乎已指日可待。
速率越来越高，并行数据必然要让位于串行数据。
串行数据传输的典型结构框图如图三所示，“万变不离其宗”，都是“两根差分线”。
相比于并行数据，串行数据的优点是：1，信号线的数量减少。
2，消除了并行数据之间传输的延迟问题。
3，因为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。
图四串行信号实例串行数据的测试点包括了芯片的发送端和接收端等不同节点。
描述串行数据的常用单位是波特率和UI，譬如3.125Gb/s表示为每秒传送的数据比特位是3.125G比特(byte)，对应的一个单位间隔（1UI）表示为一个比特位的宽度是波特率的倒数，1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。
现在比较常见的串行信号码形是NRZ码。
正电平表示”1”，负电平表示“0”。
图三所示是示波器捕获到的一组串行信号，虚线之间的时间间隔代表了一个UI，图中对应的码型是101100101010001。
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。
”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。
图八的眼图非常漂亮，这可能是用采样示波器测量的眼图。
图五眼图定义图六“双眼皮”眼图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。
图七“眼睛布满血丝”的眼图图八最漂亮的“眼睛”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。
“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。
不过，有经验的工程师知道，在眼图形象很糟糕的时候，眼图参数测试的结果显得很不准确。
这时候，建议您可以用力科的自定义眼高测量方法来测量，如图十六所示。
图十一眼图参数定义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图十六自定义眼高测量方法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“Single-Bit Eye”,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。
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，显示。
之前谈到，眼图测量方法有两种：2002年以前的传统眼图测量方法和2002年之后力科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发明的现代眼图测量方法。
传统眼图测量方法可以用两个英文关键词来表示：“Triggered Eye 三、眼图测量方法和“Single-Bit Eye”。
现代眼图测量方法用另外两个英文关键词来表示：“Continuous-Bit Eye ”和“Single-Shot Eye”。
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”，软件PLL方法恢复时钟代替了传统方法中的硬件CDR方法是一大进步。
我们需要对软件PLL的工作原理深入理解。
关于软件PLL，我们将另文介绍。
图上。
在力科的示波器中，恢复出的时钟可以单独输出来另作它用。
比特位的信号，然后用软件PLL方法恢复出时钟，最后利用恢复出的时钟和捕获到的信号力科于2002年发明的现代方法形成眼图的原理如图二所示。