眼图形成及其原理总结.docx

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眼图形成及其原理总结

1眼图基本概念

１、1　眼图得形成原理

眼图就是一系列数字信号在示波器上累积而显示得图形,它包含了丰富得信息,从眼图上可以观察出码间串扰与噪声得影响,体现了数字信号整体得特征，从而估计系统优劣程度，因而眼图分析就是高速互连系统信号完整性分析得核心.另外也可以用此图形对接收滤波器得特性加以调整,以减小码间串扰，改善系统得传输性能.

用一个示波器跨接在接收滤波器得输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元得周期同步，这时示波器屏幕上瞧到得图形就称为眼图。

示波器一般测量得信号就是一些位或某一段时间得波形，更多得反映得就是细节信息,而眼图则反映得就是链路上传输得所有数字信号得整体特征，如下图所示:

图　示波器中得信号与眼图

如果示波器得整个显示屏幕宽度为１00ns,则表示在示波器得有效频宽、取样率及记忆体配合下,得到了100nｓ下得波形资料.但就是，对于一个系统而言,分析这么短得时间内得信号并不具有代表性，例如信号在每一百万位元会出现一次突波（Sｐike），但在这１０0ns时间内,突波出现得机率很小,因此会错过某些重要得信息。

如果要衡量整个系统得性能，这么短得时间内测量得到得数据显然就是不够得.设想，如果可以以重复叠加得方式,将新得信号不断得加入显示屏幕中,但却仍然记录着前次得波形,只要累积时间够久，就可以形成眼图,从而可以了解到整个系统得性能，如串扰、噪声以及其她得一些参数，为整个系统性能得改善提供依据.

分析实际眼图，再结合理论,一个完整得眼图应该包含从“000”到“１1１”得所有状态组，且每一个状态组发生得次数要尽量一致，否则有些信息将无法呈现在屏幕上，八种状态形成得眼图如下所示:

图眼图形成示意图

由上述得理论分析,结合示波器实际眼图得生成原理，可以知道一般在示波器上观测到得眼图与理论分析得到得眼图大致接近（无串扰等影响），如下所示:

图示波器实际观测到得眼图

如果这八种状态组中缺失某种状态，得到得眼图会不完整,如下所示:

图示波器观测到得不完整得眼图

　通过眼图可以反映出数字系统传输得总体性能，可就是怎么样才能正确得掌握其判断方法呢？

这里有必要对眼图中所涉及到得各个参数进行定义，了解了各个参数以后,其判断方法很简单。

1、2眼图参数定义

相关得眼图参数有很多,如眼高、眼宽、眼幅度、眼交叉比、“1”电平,“０"电平，消光比，Q因子，平均功率等,各个参数如下图所示:

图眼图各个参数

眼图中得“1”电平（）与“0”（）电平即就是表示逻辑为１或０得电压位准值，实际中选取眼图中间得２０％UI部分向垂直轴投影做直方图，直方图得中心值分别为“1”电平与“０"电平。

眼幅度表示“１”电平信号分布与“0”电平信号分布平均数之差，其测量就是通过在眼图中央位置附近区域（通常为零点交叉时间之间距离得20％）分布振幅值进行得。

眼宽反映信号得总抖动,即就是眼图在水平轴所开得大小，其定义为两上缘与下缘交汇得点（ＣroｓsiｎｇPoｉnt）间得时间差。

交叉点之间得时间就是基于信号中得两个零交叉点处得直方图平均数计算而来,每个分布得标准偏差就是从两个平均数之间得差值相减而来。

眼高即就是眼图在垂直轴所开得大小，它就是信噪比测量，与眼图振幅非常相似。

下面详细介绍如消光比等一些复杂得概念，以帮忙理解眼图得性能.

（1）消光比（Eｘｔinctioｎ　Ｒａtio）

消光比定义为眼图中“１”电平与“0”电平得统计平均得比值,其计算公式可以就是如下得三种：

消光比在光通信发射源得量测上就是相当重要得参数,它得大小决定了通信信号得品质.消光比越大，代表在接收机端会有越好得逻辑鉴别率;消光比越小,表示信号较易受到干扰,系统误码率会上升。

消光比直接影响光接收机得灵敏度,从提高接收机灵敏度得角度希望消光比尽可能大，有利于减少功率代价。

但就是,消光比也不就是越大越好，如果消光比太大会使激光器得图案相关抖动增加。

因此，一般得对于FP/DFＢ直调激光器要求消光比不小于8、２dB，EML电吸收激光器消光比不小于１0dB.一般建议实际消光比与最低要求消光比大0、5~1、5dB。

这不就是一个绝对得数值，之所以给出这么一个数值就是害怕消光比太高了，传输以后信号劣化太厉害,导致误码产生或通道代价超标.

（2）眼交叉比

眼图交叉比，就是测量交叉点振幅与信号“1”及“0”位准之关系,因此不同交叉比例关系可传递不同信号位准。

一般标准得信号其交叉比为50%，即表示信号“1”及“０”各占一半得位冷。

为了测量其相关比率,使用如下图所示得统计方式。

交叉位准依据交叉点垂直统计得中心窗口而计算出来得平均值，其比例方程式如下（其中得１及0位准就是取眼图中间得20%为其平均值，即从４0%～6０％中作换算）：

图眼图信号交叉点比例关系

　随着交叉点比例关系得不同,表示不同得信号1或0传递质量得能耐。

如下图所示,左边图形为不同交叉比例关系得眼图,对应到右边相关得1及0脉冲信号。

同时也可以了解到在不同脉冲信号时间得宽度与图交叉比例得关系。

图　不同眼交叉比与脉冲信号得关系

对于一般得信号而言，平均分布信号位准１及0就是最常见得。

一般要求眼图交叉比为50％,即以相同得信号脉冲１与0长度为标准，来作相关参数得验证.因此,根据眼交叉比关系得分布，可以有效地测量因不同１及0信号位准得偏差所造成得相对就振幅损失分析。

例如,眼交叉比过大,即传递过多1位准信号，将会依此交叉比关系来验证信号误码、屏蔽及其极限值。

眼交叉比过小，即传递过多0位准信号，一般容易造成接收端信号不易从其中抽取频率,导致无法同步，进而产生同步损失。

（3）信号上升时间与下降时间

一般测量上升及下降时间就是以眼图占20％~80％得部分为主,其中上升时间如下图，分别以左侧交叉点左侧（20％）至右侧（8０%）两块水平区间作此传递信号上升斜率时间之换算，计算公式如下:

图眼图信号上升时间

我们知道,时间位准20％及８0％就是与信号位准１及0有着相关性得。

当然，如果上升时间愈短，即愈能表现出眼图中间得白色区块,即代表可传递得信号及容忍误码比率较好。

而对于眼图下降时间如下图所示,分别以右侧交叉点左侧（80%）至右侧（２0％）两块水平区间作此信号传递下降斜率时间之换算,计算公式如下：

图眼图信号下降时间

如同上升时间一般,如果下降时间愈短，亦愈能表现出眼图中间得白色区块,可以传递得信号及容忍误码比率愈好.

（４）Q因子（QFａctor）

Q因子用于测量眼图信噪比得参数,它得定义就是接收机在最佳判决门限下信号功率与噪声功率得比值，可适用于各种信号格式与速率得数字信号，其计算公式如下:

其中,“１”电平得平均值与“0”电平得平均值得差为眼幅度，“１"信号噪声有效值与“0"信号噪声有效值之与为信号噪声有效值。

Q因子综合反映眼图得质量问题.Q因子越高，眼图得质量就越好,信噪比就越高。

Q因子一般受噪声、光功率、电信号就是否从始端到终端阻抗匹配等因素影响。

一般来说，眼图中1电平得这条线越细、越平滑，Q因子越高。

在不加光衰减得情况下，发送侧光眼图得Q因子不应该小于１2，接收测得Q因子不应该小于6。

（5）平均功率

通过眼图反映得平均功率，即就是整个数据流得平均值.与眼图振幅测量不同，平均功率则就是直方图得平均值。

如果数据编码正常工作，平均功率应为总眼图振幅得50%.

（6）抖动

　抖动就是在高速数据传输线中导致误码得定时噪声。

如果系统得数据速率提高,在几秒内测得得抖动幅度会大体不变，但在位周期得几分之一时间内测量时，它会随着数据速率成比例提高,进而导致误码.因此,在系统中尽可能得减少这种相关抖动，提升系统总体性能。

抖动，描述了信号得水平波动，即信号得某特定时刻相对于其理想时间位置上得短期偏离，示意图如下:

图抖动示意图

示波器观测到得抖动如下图所示。

图中为抖动大得眼图得交点，其直方图就是一个像素宽得交点块投射到时间轴上得投影。

理想情况下应该为一个点,但由于码元得水平波动,导致其形成了一个区域。

图抖动得眼图交点

器件生成得固有抖动称为抖动输出。

其主要来源可以分为两个:

随机抖动（ＲＪ）与确定性抖动（DJ）,其中确定性抖动（DeｔeｒminisｔｉｃJittｅr）又可以分为周期性抖动（PｅrｉodｉcＪitｔer）、占空比失真（DutｙCycｌeDiｓtortiｏｎ）、码间干扰（Inter—ＳymbolInterferenｃe）与串扰。

DCD源自时钟周期中得不对称性.IＳI源自由于数据相关效应与色散导致得边沿响应变化。

ＰＪ源自周期来源得电磁捡拾,如电源馈通。

串扰就是由捡拾其它信号导致得.DJ得主要特点就是，其峰到峰值具有上下限。

DＣＤ与ＩSI称为有界相关抖动，Pj与串扰称为不相关有界抖动,而ＲJ称为不相关无界抖动。

另外，抖动分布就是ＲJ与ＤJ概率密度函数得卷积.

分析抖动以及其具体产生原因将有助于在系统设计时尽可能得减少抖动产生得影响，同时可以确定抖动对BＥＲ得影响，并保证系统BER低于某个最大值，通常就是。

因此，抖动得形成原因直观得表示如下图：

图　抖动形成原因

1、3眼图与系统性能

当接收信号同时受到码间串扰与噪声得影响时，系统性能得定量分析较为困难，一般可以利用示波器，通过观察接收信号得“眼图”对系统性能进行定性得、可视得估计。

由眼图可以观察出符号间干扰与噪声得影响，具体描述如下：

图眼图与系统性能得关系

眼图对于展示数字信号传输系统得性能提供了很多有用得信息：

可以从中瞧出码间串扰得大小与噪声得强弱，有助于直观地了解码间串扰与噪声得影响，评价一个基带系统得性能优劣；可以指示接收滤波器得调整,以减小码间串扰,如:

眼图得“眼睛”张开得大小反映着码间串扰得强弱。

“眼睛”张得越大,且眼图越端正,表示码间串扰越小;反之表示码间串扰越大。

当存在噪声时，噪声将叠加在信号上,观察到得眼图得线迹会变得模糊不清。

若同时存在码间串扰，“眼睛"将张开得更小。

与无码间串扰时得眼图相比，原来清晰端正得细线迹,变成了比较模糊得带状线，而且不很端正。

噪声越大,线迹越宽，越模糊;码间串扰越大,眼图越不端正。

理论分析得到如下几条结论,在实际应用中要以此为参考，从眼图中对系统性能作一论述:

　　（１）最佳抽样时刻应在　“眼睛”张开最大得时刻。

（2）对定时误差得灵敏度可由眼图斜边得斜率决定。

斜率越大，对定时误差就越灵敏。

　　（3）在抽样时刻上,眼图上下两分支阴影区得垂直高度，表示最大信号畸变。

　　（4）眼图中央得横轴位置应对应判决门限电平。

　（5）在抽样时刻，上下两分支离门限最近得一根线迹至门限得距离表示各相应电平得噪声容限,噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。

　（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息得接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交得区域得大小表示零点位置得变动范围，这个变动范围得大小对提取定时信息有重要得影响.

１、4　眼图与误码率

在数字电路系统中，发送端发送出多个比特得数据,由于多种因素得影响，接收端可能会接收到一些错误得比特（即误码）。

错误得比特数与总得比特数之比称为误码率,即BｉtErrｏrRatio，简称BER。

误码率就是描述数字电路系统性能得最重要得参数.在ＧＨz比特率得通信电路系统中（比如FibreChaｎnel、ＰＣIe、SＯNET、SＡTA）,通常要求BER小于或等于.误码率较大时，通信系统得效率低、性能不稳定。

影响误码率得因素包括抖动、噪声、信道得损耗、信号得比特率等。

在误码率（ＢER）得测试中，码型发生器会生成数十亿个数据比特，并将这些数据比特发送给输入设备,然后在输出端接收这些数据比特.然后,误码分析仪将接收到得数据与发送得原始数据一位一位进行对比，确定哪些码接收错误,随后会给出一段时间内内计算得到得BER。

考虑误码率测试得需要，我们以下面得