眼圖是什么？

眼圖，顧名思義，是一種長得很像眼睛的圖形。它是怎么形成的呢？這就要說到示波器的余輝模式。

我們?nèi)庋鄣乃⑿侣手挥?span>60Hz，有時(shí)無法察覺偶爾一閃而過的異常信號(hào)，余輝模式則能夠疊加顯示以前出現(xiàn)過的波形。而眼圖實(shí)際上就是將信號(hào)中的所有碼元分離出來并在屏幕上疊加顯示后的結(jié)果。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)而言，其高電平與低電平的變化可以有多種序列組合。以3個(gè)bit為例，有000~111共8種組合，在時(shí)域上將足夠多的上述序列按某一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)齊，然后將其波形疊加起來就形成了眼圖。

有時(shí)為了讓眼圖更加清晰，我們還會(huì)打開色溫模式，這樣的眼圖將會(huì)具有明暗的層次感 ，色調(diào)越暖的部分說明信號(hào)出現(xiàn)的概率越高，也可以更加直觀地看出信號(hào)的噪聲、抖動(dòng)等的分布情況。

眼圖測試的意義是什么？

在普通的波形測量過程中，我們分析的是某一段的細(xì)節(jié)信息，如上升沿、下降沿、過沖、周期等等，但隨著數(shù)字信號(hào)速率的提升，僅僅依靠普通的波形測量是不夠的，這是因?yàn)橛捎趥鬏斖ǖ赖膿p耗會(huì)出現(xiàn)波形位置不同，測量結(jié)果不同的情況，所以眼圖就成了常用的分析高速數(shù)字信號(hào)的方法。

它能夠體現(xiàn)信號(hào)的整體特征，通過它可以觀察到碼間串?dāng)_和噪聲干擾狀況，從而根據(jù)一些參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

眼圖的形態(tài)各式各樣，有“細(xì)長眼"、“大圓眼"、“單眼皮"、“雙眼皮"， 這主要由它的參數(shù)決定，如眼高、眼寬、眼幅度。

眼高指眼圖上空白的區(qū)域在縱軸上的大小，它能夠反映傳輸線上信號(hào)的噪聲容限。

眼寬指眼圖在水平軸所展開的大小，它能夠反映信號(hào)的總抖動(dòng)。

眼幅度指1 電平與 0 電平的差值。

眼圖交叉比指交叉點(diǎn)到 0 電平的幅度與眼幅度的比值。

如何通過觀察眼圖形態(tài)評(píng)估系統(tǒng)性能？

在無碼間串?dāng)_和噪聲的理想情況下，波形不存在失真，每個(gè)碼元都重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線又細(xì)又清晰的“眼睛"，“眼睛"張開得很大。

當(dāng)有碼間串?dāng)_時(shí)，波形失真，碼元不重合，眼圖的跡線就會(huì)不清晰，引起“眼睛"部分閉合，若再加上噪聲的影響，眼圖的線條變得模糊，“眼睛"張開得也就小了。

因此，“眼睛"張開的大小能夠反映失真的程度以及碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。

眼圖測試

考慮到眼圖測試的精度，一般都需要累積到足夠的UI數(shù)再進(jìn)行分析，這就對(duì)示波器的存儲(chǔ)深度提出了較高的要求。越高的存儲(chǔ)深度，示波器一次分析的UI數(shù)就會(huì)越多，測試結(jié)果也就越精準(zhǔn)。

因此在測量高速信號(hào)的眼圖中需要盡量采用高的存儲(chǔ)深度。當(dāng)然，存儲(chǔ)深度越高，示波器的分析速度相對(duì)也會(huì)變慢。

作為示例，我們使用示波器SDS7804A H12（左）與任意波形發(fā)生器SDG7000A（右）進(jìn)行眼圖測試。

SDS7804A H12的帶寬為8GHz,采樣率20GSa/s,具有12-bit分辨率以及500Mpts存儲(chǔ)深度；任意波形發(fā)生器SDG7000A的輸出頻率高達(dá)1GHz。

在測試界面中，首先要進(jìn)行信號(hào)設(shè)置，包括對(duì)源的設(shè)置和電平的設(shè)置，查找電平可自動(dòng)將電平設(shè)置在眼圖上升沿和下降沿交叉的位置。

眼圖模式下，有一個(gè)設(shè)置叫做時(shí)鐘恢復(fù)，這可是構(gòu)建眼圖的核心步驟，只有從數(shù)據(jù)中正確恢復(fù)出參考時(shí)鐘，找到基準(zhǔn)點(diǎn)才能正確地描繪出眼圖。鼎陽的眼圖功能支持兩種時(shí)鐘恢復(fù)方式，分別為“恒定頻率"和“鎖相環(huán)"。

對(duì)于很多高速的串行總線信號(hào)來說，由于時(shí)鐘信息嵌入在數(shù)據(jù)流里，所以需要使用時(shí)鐘恢復(fù)功能先從數(shù)據(jù)流里提取出時(shí)鐘，然后以這個(gè)時(shí)鐘為基準(zhǔn)對(duì)碼元進(jìn)行疊加。

恒定頻率&鎖相環(huán)

 恒定頻率

通過最小二乘法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)沿做線性擬合將時(shí)鐘恢復(fù)出來，速率模式有自動(dòng)和手動(dòng)，大多數(shù)情況下推薦使用自動(dòng)模式。而當(dāng)信噪比比較差，示波器無法準(zhǔn)確確定恢復(fù)時(shí)鐘時(shí)，推薦用戶根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)速率，而后示波器會(huì)以輸入速率作為參考來執(zhí)行時(shí)鐘恢復(fù)。

使用SDG7000A輸出一個(gè)PRBS信號(hào)，長度設(shè)置為8，比特率設(shè)置為600MHz，時(shí)鐘顯示為600MHz。

我們慢慢將比特率增大至610MHz，可以看到時(shí)鐘速率也隨著增大至610MHz，這就是自動(dòng)模式 。

如下圖，手動(dòng)模式中 ，假如輸入?yún)⒖嫉臄?shù)據(jù)速率為600MHz，可以看到示波器正確恢復(fù)了時(shí)鐘。那我們再將參考的輸入值與實(shí)際值的誤差調(diào)的大一點(diǎn)，設(shè)置參考值為580MHz，恢復(fù)出來的時(shí)鐘仍然是正確的。

但是當(dāng)我們把數(shù)據(jù)速率調(diào)成570MHz時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)顯示恢復(fù)出來的時(shí)鐘為607MHz。

由于示波器未找到正確的時(shí)鐘，因此眼圖也無法成功構(gòu)建，關(guān)于這個(gè)誤差其實(shí)并沒有一個(gè)確切的范圍，信噪比、波形比特率等都會(huì)對(duì)該誤差造成一定的影響。

設(shè)置完速率模式后繼續(xù)設(shè)置查找模式，其中“每一次"指示波器會(huì)對(duì)采集的每一幀都執(zhí)行一次時(shí)鐘恢復(fù)，每幀的眼圖都用對(duì)應(yīng)的恢復(fù)時(shí)鐘來構(gòu)建，并且每幀的眼圖會(huì)替換上一幀的眼圖。

我們來看看實(shí)際效果：當(dāng)小幅度改變信號(hào)頻率時(shí)，不僅時(shí)鐘會(huì)跟著變化，屏幕上的眼圖也不斷在更新替換。

當(dāng)選擇“第一次"時(shí)，示波器則會(huì)根據(jù)采集的第一幀來恢復(fù)時(shí)鐘，后續(xù)采集的每一幀都使用該時(shí)鐘來構(gòu)建眼圖，可以選擇只顯示最后一幀眼圖，也可以選擇“所有"，將所有幀的眼圖在屏幕上疊加顯示。

選擇“所有"后可以看到，當(dāng)小幅度改變信號(hào)頻率時(shí)，時(shí)鐘沒有任何變化，而眼圖卻出現(xiàn)了重疊，這是因?yàn)榈谝粠幕謴?fù)時(shí)鐘并不適用于所有幀。

鎖相環(huán)

“鎖相環(huán)"這種時(shí)鐘恢復(fù)方式是基于采集的數(shù)字信號(hào)，使用軟件鎖相環(huán)的方法計(jì)算出每個(gè)參考時(shí)鐘沿的位置。

因?yàn)殒i相環(huán)的方式對(duì)時(shí)鐘的變化有一定的跟蹤能力，所以可以去除抖動(dòng)中的低頻成分，從而更接近實(shí)際串行信號(hào)接收端的實(shí)際情況。同樣的，在選擇“鎖相環(huán)"后需要選擇速率模式以及查找模式，與“恒定速率"情況一致，這里就不再贅述。

軟件鎖相環(huán)當(dāng)前支持一階，可通過配置截止因子來改變鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬。

對(duì)于這兩種時(shí)鐘恢復(fù)方式，恒頻時(shí)鐘由于設(shè)置簡單，易于使用，通常用于純凈數(shù)據(jù)信號(hào)的眼圖測量，但是要稍微使用深一點(diǎn)的內(nèi)存深度以便于觀察到更多頻率的抖動(dòng)成分；而鎖相環(huán)的時(shí)鐘恢復(fù)方式需要用戶設(shè)置截止因子改變環(huán)路帶寬，設(shè)置稍復(fù)雜一點(diǎn)，但能夠更真實(shí)反映高速串行鏈路上接收端鎖相環(huán)看到的信號(hào)抖動(dòng)情況，用戶可根據(jù)被測信號(hào)自行選擇時(shí)鐘恢復(fù)方式。

眼圖結(jié)果出來之后，打開“測量"可以看到，能夠測量的眼圖參數(shù)有很多，比如剛才提到的眼高、眼寬、眼幅值、眼圖交叉比，還有平均功率、時(shí)間間隔誤差、Q因子等。

模板測試

作為評(píng)估系統(tǒng)優(yōu)劣的方法，眼圖的操作步驟比較簡單，但是還有一種更簡單的測試方式——模板測試。

模板測試，即先將規(guī)范定義的要求制作成一個(gè)模板，然后通過示波器來調(diào)用，便可以直接觀察到眼圖是否有接觸到模板。

如果沒有接觸到則表示眼圖的指標(biāo)符合規(guī)范要求，如果有接觸到模板，也可以根據(jù)接觸的位置進(jìn)行針對(duì)性的改善，不需要重復(fù)測量。

使用內(nèi)置usb2.0模板

典型的模板定義由3部分區(qū)域組成，最上面的區(qū)域定義了對(duì)信號(hào)的最大幅度要求,最下面的區(qū)域定義了對(duì)信號(hào)的最小幅度要求，中間的區(qū)域則定義了對(duì)信號(hào)的眼圖張開度的要求。

總結(jié)：

眼圖是評(píng)估通信系統(tǒng)性能的重要工具。我們介紹了眼圖的參數(shù)、形態(tài)和測試方法，熟悉眼圖測試可以讓工程師和技術(shù)人員更好地評(píng)估和優(yōu)化通信系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的可靠性，為相關(guān)領(lǐng)域測試工作提供有力支持。

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