示波器眼图的基本原理和相关概念

眼图的定义与作用

眼图（Eye Diagram）是通过余辉方式累积叠加串行信号比特位形成的图形，因形状类似眼睛而得名。它蕴含着丰富的信号信息，能直观反映码间串扰和噪声对数字信号的影响，是高速互连系统信号完整性分析的核心工具。工程师可依据眼图调整接收滤波器特性，减小码间串扰，优化系统传输性能。

眼图的形成原理

数字信号的高、低电平变化存在多种序列组合，以 3 个比特为例，就有 000 到 111 共 8 种组合。在时域中，将足够多的这类序列按某一基准点对齐并叠加，便形成了眼图。

传统生成方法

传统方法是 “每次触发叠加一个 UI（单位时间间隔）”，虽原理简单，但会将仪器触发电路的抖动引入测量，导致结果不够精确。

新生成方法

新方法采用 “同步切割＋叠加显示”：示波器先捕获连续比特位信号，通过软件 PLL 恢复时钟，再利用恢复的时钟对捕获信号按比特位切割并叠加。该方法解决了触发抖动问题，处理 UI 多且速度快。

数据边沿提取：获取捕获数据的最大值（Max）和最小值（Min），设阈值 Threshold=0.5*(Max+Min)，记录信号穿过阈值的时间 Edgetime_initial [i]。当码元速率高导致采样点少、误差大时，需在阈值附近插值。处理噪声干扰可采用触发粘滞比较法，即信号大于高电平为高，小于低电平为低，否则保持不变。

时钟恢复：这是眼图抖动生成的关键，宽带示波器常用三种方式。黄金锁相环（软件 PLL）可调节恢复时钟频率，补偿频率变化，支持一、二级 PLL 且参数可调；常数时钟恢复通过预置码元速率结合数据边沿，用最小二乘法拟合，需加滤波器消除低频抖动；外部时钟恢复直接用外部同步时钟，适合源同步信号测试。

眼图相关概念

单位时间间隔（UI）

指 1 个比特数据的周期（码率）。

码型

常见的有归零码、非归零码（NRZ）和双极性码，本文以 NRZ 为例介绍。

概率密度函数（PDF）

工程上用直方图统计，标准差 σ 表示数据偏离均值 μ 的程度，3σ 包含至少 99% 的概率信息，眼图参数测量多以此为参考。

眼图关键参数

眼幅度和眼高度

眼幅度=Level1−Level0（Level1 和 Level0 为眼图高、低电平，是 UI 中间 20% 区域垂直方向 PDF 概率最高的位置）。

眼高度=(Level1−3σ1)−(Level0+3σ0)，利用 3σ 位置确定。

品质因子和误码率

品质因子（Q 因子）：反映眼图信噪比，Q=(Level1−Level0)/(σ1+σ0)，值越高，眼图质量和信噪比越好。

误码率（BER）：由 Q 因子通过高斯误差函数计算，信噪比 SNR=20Log (Q)（dB）。

眼宽度

指水平两个眼交叉点之间的水平距离，单位为秒，反映信号总抖动，抖动大则眼宽小。

上升时间、下降时间和占空比

上升 / 下降时间：根据顶值（Vtop）和底值（Vbase）确定阈值，测量上升沿（低到高）和下降沿（高到低）的平均水平距离。

占空比：通过计算上升和下降时间相关的时间差得到。

交叉幅度和交叉比

交叉幅度：眼交叉点（UI 边界位置统计的概率分布点）对应的幅度平均值。

交叉比：交叉幅度与眼幅度的比例，标准信号通常为 50%。

抖动分析

抖动概念

指数字信号瞬时变化相对于理想位置的偏移。

分析方法

常用波形直方图、时间间隔误差（TIE）直方图、TIE 趋势图和抖动频谱图等。TIE 表示时钟有效沿相对理想位置的变化。

抖动分类

随机抖动（Rj）：符合高斯分布，由热噪声等引起，无界。

确定性抖动（Dj）：非高斯分布且有界，可分解为周期性抖动（Pj，与周期信号相关）、占空比失真抖动（DCD，因上升 / 下降时间不对称等导致）、码间干扰抖动（ISI，与传输链路效应等相关，又称数据相关抖动）。

浴盆曲线

反映眼图开度与误码率的关系，Y 轴为误码率（对数坐标），X 轴为采样时刻（1UI 范围）。确定性抖动形成平坦部分，随机抖动形成斜坡部分，可用于分析不同误码率下的总体抖动。

眼图分析能有效评估高速互连系统性能，为系统优化提供关键依据。