高速数位通讯系统眼图原理简介.

高速數位系統眼圖原理簡介

眼圖是一般在時域分析中常用的技術，它廣泛的應用在電腦及數位通訊及光纖通訊系統的測試分析中，其結果對信號的完整性分析，具有相當直觀且簡便的方法，本文將解釋眼圖形成的過程，並對衍生出的相關量測參數做一概念性的介紹。

眼圖形成原理

在數位通訊系統的實體層（Physical Layer）中，資料的定義是以邏輯位準的1與0來做判斷，但在一般示波器上，擷取到的信號是一段相當短的時間，例如示波器的整個顯示幕寬度為100ns，則表示在示波器的有效頻寬、取樣率及記憶體配合下，得到了100ns下的波形資料，但在這麼短的時間中，所分析的資料並不具有代表性，例如信號在每一百萬位元會出現一次突波（Spike），在此時間內，出現的機率很小，因此會錯過某些重要的訊息。若可以以重複疊加的方式，將新的信號不斷的加入顯示幕中，但卻仍然記錄著前次的波形，只要累積的時間夠久，就可以形成一個眼形的圖案，如(圖一所示，它就好像把一組訊號切成三位元的二進位邏輯疊在一起一般。其中要注意的是，一個完整的眼圖應該包含所有的八組狀態（即000至111），且每一個狀態發生的次數要盡量一致，否則，將有某些訊息無法呈

現在顯示幕中，如(圖二所示。

為了達到量測結果的有效性，一般會採用隨機編碼（Pseudo Random Bit Sequence；PRBS）的方式，這種編碼的好處是當操作完一個迴路後，所有的狀態將會平均分配，使得眼圖的形狀是對稱的，其中又因不同的位元組長度而分成

2^7、2^15、2^23、2^31數種規格，而編碼產生的方式，可以由硬體或軟體來達成，硬體的方式是採用數位邏輯電路達成，軟體則是在先將資料存在編碼器內部的記憶體中，經由時脈觸發記憶體中的字串訊號，隨機編碼的另一用途，是量測待測物在各種條件下的誤碼率（Bit Error Ratio；BER），此時需要有同樣編碼行為的錯誤分析儀（Error Analyzer）搭配才可以達到此量測目的。

《圖一由八個狀態所形成的眼圖示意圖》

《圖二因缺乏某組狀態將無法形成完整的眼圖》

硬體介紹

最簡單且直接能分析出眼圖的儀器非示波器莫屬，而在取樣的方法上，又分成即時（Real time）及重複性（Repetition）兩大類，而一般的示波器，大抵都是以前者為主，後者主要是因應Gigabit速度以上的測試，如Infiniband、光纖通訊等，其分類上大致可以從操作的頻寬來作區隔，即時取樣主要在DC至6GHz範圍內，而重複取樣則針對100MHz以上至65Ghz為主。其中數位即時取樣示波器概念較簡單，它的取樣速率、系統頻寬決定了所能量測到多高頻的信號，而記憶體深度則決定了一次取樣下所能存取的資料量，因此，取樣率愈高，相對頻寬就會愈寬，而搭配深度記憶體，就愈能反映出信號的完整性。

一般而言，儀器對信號的解析能力與入射信號的上升時間為正相關，儀器信號源的上升時間（上升位置的10％至90％所花的時間）約為35ps，以經驗定律換算其3dB頻寬約為10GHz，如(公式一，以解析兩不連續點能力來算，頻寬可達到

20GHz。但目前以即時取樣的示波器而言，其頻寬最高也不過數GHz，因此使用此架構下的示波器無異是降低了系統的頻寬，為了能充分發揮其高頻寬特性，此時

就需要採用重複取樣型架構的示波器。

其取樣原理如(圖三所示，必須給它一個觸發的信號（Trigger），而儀器會以觸發信號的位準及時間為基準，以等效延遲的方式擷取電壓的位準，將取樣點疊加後，就可以重建原來的波形，而延遲的時間若能控制的非常精確，其頻寬就可以達到非常高，以目前技術來說，最高可以達到65GHz左右。而與即時取樣方式的差別在於此取樣方式僅適用於重複性的波形，若量測信號屬隨機的，在觸發取樣之間就會漏掉相關的資訊，一般會以累計一段時間或波形來完成分析的數據，而觸發信號一定要由信號源來提供，否則在時序上無法建立完整的波形，其形成的圖形就會如圖

二所示。

《圖三等效取樣示波器可達高頻寬》

參數定義

在分析出眼圖後，需進一步從中定義各個參數，由此分析出信號完整度（Signal Integrity）的特性。常見於眼圖中的測試參數有九個，介紹如下：

《圖四眼圖的各個參數解說示意圖》

∙ (1Logic 0：邏輯為0的電壓位準值。

∙ (2Logic 1：邏輯為1的電壓位準值。

∙ (3Rising Time：一般定義為資料從10％上升到90％的轉態所需時間，不同規範如GB Ethernet中有定義20％至80％者。

∙ (4Falling Time：一般定義為資料從10％下降到90％的轉態所需時間。

∙ (5Eye Height：眼圖在垂直軸所開的大小，當通訊品質下降，雜訊就會升高使開口變小。

∙ (6Eye Width：眼圖在水平軸所開的大小，其定義為兩上緣與下緣交會的點（Crossing Point）間的時間差，當信號產生抖動、不對稱時，寬度便會變小。

∙ (7Jitter：抖動是彼此轉態間相對的時間的差異值，主因是反射所造成的影響，因其為一個機率的分布函數，常用於分析的有Jitter RMS、Jitter P-P。

∙ (8Eye Amplitude：邏輯1與0在統計上平均位準（Mean Value）的比值。

∙ (9Bit Rate：資料傳輸的速度，為眼圖寬度的倒數，單位為Bit Per Second。

其他重要的測試項目，如交會比率（Crossing Percentage）、過擊（Over Shooting）、遮罩分析（Eye Mask Analysis）等，皆透過眼圖的格式來達成，在時域的完整度分析上，是相當直觀且重要的，在此針對幾項重要的參數作詳細的介紹。

消光比（Extinction Ratio）

其定義是邏輯1、0在40％～60％的位準中統計平均值的比值，如(公式二：@公

式:

其在光通訊發射源的量測上，是相當重要的參數，它的大小，決定了通訊信號的品質，其值愈大，代表在接收機端會有愈好的邏輯鑑別率，值愈小，表示信號較易受雜訊的影響會使誤碼率上升。從公式中，可以看到Dark Level的參數，因光通訊示波器的接收端是採用二極體光偵測器達成，而二極體操作在逆向偏壓上，於完全無訊號時仍會有暗電流的存在，因此必須先作校正將此誤差去除，以達到精確的量

測結果。

《圖五眼圖中消光比量測示意圖》

在消光比的量測上，位準的定義是採用統計（Histogram）的方式來達成，例

如消光比的邏輯1、0位準，就是以其平均值來作定義。以一個標準的高斯分布