优化通信系统性能，眼图测试技巧与模板应用

时间： 2024-05-15 来源：鼎阳科技知乎

技术问答

一、眼图的概念

眼图，顾名思义，是一种长得很像眼睛的图形。它是怎么形成的呢？这就要说到示波器的余辉模式。

我们肉眼的刷新率只有60Hz，有时无法察觉偶尔一闪而过的异常信号，余辉模式则能够叠加显示历史上出现过的波形。而眼图实际上就是将信号中的所有码元分离出来并在屏幕上叠加显示后的结果。

对于数字信号而言，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，有000~111共8种组合，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。

该图能够让我们更好地理解：左边是8种序列组合以及对应信号的跳变情况，可以看到，由于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，所以信号叠加后就会出现这种“多眼皮”、“多眼角”的现象。

有时为了让眼图更加清晰，我们还会打开色温模式，这样的眼图将会具有明暗的层次感，色调越暖的部分说明信号出现的概率越高，也可以更加直观地看出信号的噪声、抖动等的分布情况。

二、眼图测试的意义是什么？

在普通的波形测量过程中，我们分析的是某一段的细节信息，如上升沿、下降沿、过冲、周期等等，但随着数字信号速率的提升，仅仅依靠普通的波形测量是不够的，这是因为由于传输通道的损耗会出现波形位置不同，测量结果不同的情况，所以眼图就成了最常用的分析高速数字信号的方法。

它能够体现信号的整体特征，通过它可以观察到码间串扰和噪声干扰状况，从而根据一些参数评价系统性能的优劣。

眼图的形态各式各样，有“细长眼”、“大圆眼”、“单眼皮”、“双眼皮”，这主要由它的参数决定，如眼高、眼宽、眼幅度。

如上图，“1”电平和“0”电平指选取眼图中间的20%UI部分向垂直轴投影做直方图，直方图中最高的那一点所对应的电平分别为“1”电平和“0”电平。

眼高指眼图上空白的区域在纵轴上的大小，它能够反映传输线上信号的噪声容限。

眼宽指眼图在水平轴所展开的大小，它能够反映信号的总抖动。

眼幅度指1电平与0电平的差值。

眼图交叉比指交叉点到0电平的幅度与眼幅度的比值。

三、如何通过观察眼图形态评估系统性能？

在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形不存在失真，每个码元都重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼睛”张开得很大。

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“眼睛”部分闭合，若再加上噪声的影响，眼图的线条变得模糊，“眼睛”张开得也就小了。

因此，“眼睛”张开的大小能够反映失真的程度以及码间串扰的强弱。

四、眼图测试

考虑到眼图测试的精度，一般都需要累积到足够的UI数再进行分析，这就对示波器的存储深度提出了较高的要求。越高的存储深度，示波器一次分析的UI数就会越多，测试结果也就越精准。

因此在测量高速信号的眼图中需要尽量采用高的存储深度。当然，存储深度越高，示波器的分析速度相对也会变慢。

作为示例，我们使用示波器SDS6204 Pro（左）与任意波形发生器 SDG7000A进行眼图测试。

SDS6204 Pro的带宽为2GHz，采样率为10GSa/ch，具有12-bit分辨率以及500Mpts存储深度；任意波形发生器SDG7000A的输出频率高达1GHz。

在测试界面中，首先要进行信号设置，包括对源的设置和电平的设置，查找电平可自动将电平设置在眼图上升沿和下降沿交叉的位置。

眼图模式下，有一个设置叫做时钟恢复，这可是构建眼图的核心步骤，只有从数据中正确恢复出参考时钟，找到基准点才能正确地描绘出眼图。鼎阳的眼图功能支持两种时钟恢复方式，分别为“恒定频率”和“锁相环”。

对于很多高速的串行总线信号来说，由于时钟信息嵌入在数据流里，所以需要使用时钟恢复功能先从数据流里提取出时钟，然后以这个时钟为基准对码元进行叠加。

五、恒定频率&锁相环

1、恒定频率

通过最小二乘法对采集到的数据沿做线性拟合将时钟恢复出来，速率模式有自动和手动，大多数情况下推荐使用自动模式。而当信噪比比较差，示波器无法准确确定恢复时钟时，推荐用户根据实际情况手动输入数据速率，而后示波器会以输入速率作为参考来执行时钟恢复。

使用SDG7000A输出一个PRBS信号，长度设置为8，比特率设置为600MHz，时钟显示为600MHz。

我们慢慢将比特率增大至610MHz，可以看到时钟速率也随着增大至610MHz，这就是自动模式。

如下图，手动模式中，假如输入参考的数据速率为600MHz，可以看到示波器正确恢复了时钟。那我们再将参考的输入值与实际值的误差调的大一点，设置参考值为580MHz，恢复出来的时钟仍然是正确的。

但是当我们把数据速率调成570MHz时，会发现此时显示恢复出来的时钟为607MHz。

由于示波器未找到正确的时钟，因此眼图也无法成功构建，关于这个误差其实并没有一个确切的范围，信噪比、波形比特率等都会对该误差造成一定的影响。

设置完速率模式后继续设置查找模式，其中“每一次”指示波器会对采集的每一帧都执行一次时钟恢复，每帧的眼图都用对应的恢复时钟来构建，并且每帧的眼图会替换上一帧的眼图。

我们来看看实际效果：当小幅度改变信号频率时，不仅时钟会跟着变化，屏幕上的眼图也不断在更新替换。

当选择“第一次”时，示波器则会根据采集的第一帧来恢复时钟，后续采集的每一帧都使用该时钟来构建眼图，可以选择只显示最后一帧眼图，也可以选择“所有”，将所有帧的眼图在屏幕上叠加显示。

选择“所有”后可以看到，当小幅度改变信号频率时，时钟没有任何变化，而眼图却出现了重叠，这是因为第一帧的恢复时钟并不适用于所有帧。

2、锁相环

“锁相环”这种时钟恢复方式是基于采集的数字信号，使用软件锁相环的方法计算出每个参考时钟沿的位置。

因为锁相环的方式对时钟的变化有一定的跟踪能力，所以可以去除抖动中的低频成分，从而更接近实际串行信号接收端的实际情况。同样的，在选择“锁相环”后需要选择速率模式以及查找模式，与“恒定速率”情况一致，这里就不再赘述。

软件锁相环当前支持一阶，可通过配置截止因子来改变锁相环的环路带宽。

对于这两种时钟恢复方式，恒频时钟由于设置简单，易于使用，通常用于纯净数据信号的眼图测量，但是要稍微使用深一点的内存深度以便于观察到更多频率的抖动成分；而锁相环的时钟恢复方式需要用户设置截止因子改变环路带宽，设置稍复杂一点，但能够更真实反映高速串行链路上接收端锁相环看到的信号抖动情况，用户可根据被测信号自行选择时钟恢复方式。

眼图结果出来之后，打开“测量”可以看到，能够测量的眼图参数有很多，比如刚才提到的眼高、眼宽、眼幅值、眼图交叉比，还有平均功率、时间间隔误差、Q因子等。

六、模板测试

作为评估系统优劣的方法，眼图的操作步骤比较简单，但是还有一种更简单的测试方式——模板测试。

模板测试，即先将规范定义的要求制作成一个模板，然后通过示波器来调用，便可以直接观察到眼图是否有接触到模板。

如果没有接触到则表示眼图的指标符合规范要求，如果有接触到模板，也可以根据接触的位置进行针对性的改善，不需要重复测量。

使用内置usb2.0模板

典型的模板定义由3部分区域组成，最上面的区域定义了对信号的最大幅度要求,最下面的区域定义了对信号的最小幅度要求，中间的区域则定义了对信号的眼图张开度的要求。

七、总结

眼图是评估通信系统性能的重要工具。鼎阳科技介绍了眼图的参数、形态和测试方法，熟悉眼图测试可以让工程师和技术人员更好地评估和优化通信系统的性能，提高系统的可靠性，为相关领域测试工作提供有力支持。

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