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。
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