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示波器眼圖的基本原理和相關(guān)概念

發(fā)布日期:2025-07-10 14:54:03         瀏覽數(shù):   

眼圖的定義與作用

眼圖(Eye Diagram)是通過(guò)余輝方式累積疊加串行信號(hào)比特位形成的圖形,因形狀類似眼睛而得名。它蘊(yùn)含著豐富的信號(hào)信息,能直觀反映碼間串?dāng)_和噪聲對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響,是高速互連系統(tǒng)信號(hào)完整性分析的核心工具。工程師可依據(jù)眼圖調(diào)整接收濾波器特性,減小碼間串?dāng)_,優(yōu)化系統(tǒng)傳輸性能。

示波器眼圖的基本原理和相關(guān)概念(圖1) 

眼圖的形成原理

數(shù)字信號(hào)的高、低電平變化存在多種序列組合,以 3 個(gè)比特為例,就有 000 到 111 共 8 種組合。在時(shí)域中,將足夠多的這類序列按某一基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)齊并疊加,便形成了眼圖。

示波器眼圖的基本原理和相關(guān)概念(圖2)

傳統(tǒng)生成方法

傳統(tǒng)方法是 “每次觸發(fā)疊加一個(gè) UI(單位時(shí)間間隔)”,雖原理簡(jiǎn)單,但會(huì)將儀器觸發(fā)電路的抖動(dòng)引入測(cè)量,導(dǎo)致結(jié)果不夠精確。

 

示波器眼圖的基本原理和相關(guān)概念(圖3)

新生成方法

新方法采用 “同步切割+疊加顯示”:示波器先捕獲連續(xù)比特位信號(hào),通過(guò)軟件 PLL 恢復(fù)時(shí)鐘,再利用恢復(fù)的時(shí)鐘對(duì)捕獲信號(hào)按比特位切割并疊加。該方法解決了觸發(fā)抖動(dòng)問(wèn)題,處理 UI 多且速度快。

 

示波器眼圖的基本原理和相關(guān)概念(圖4)

數(shù)據(jù)邊沿提?。韩@取捕獲數(shù)據(jù)的最大值(Max)和最小值(Min),設(shè)閾值 Threshold=0.5*(Max+Min),記錄信號(hào)穿過(guò)閾值的時(shí)間 Edgetime_initial [i]。當(dāng)碼元速率高導(dǎo)致采樣點(diǎn)少、誤差大時(shí),需在閾值附近插值。處理噪聲干擾可采用觸發(fā)粘滯比較法,即信號(hào)大于高電平為高,小于低電平為低,否則保持不變。

 

示波器眼圖的基本原理和相關(guān)概念(圖5)

時(shí)鐘恢復(fù):這是眼圖抖動(dòng)生成的關(guān)鍵,寬帶示波器常用三種方式。黃金鎖相環(huán)(軟件 PLL)可調(diào)節(jié)恢復(fù)時(shí)鐘頻率,補(bǔ)償頻率變化,支持一、二級(jí) PLL 且參數(shù)可調(diào);常數(shù)時(shí)鐘恢復(fù)通過(guò)預(yù)置碼元速率結(jié)合數(shù)據(jù)邊沿,用最小二乘法擬合,需加濾波器消除低頻抖動(dòng);外部時(shí)鐘恢復(fù)直接用外部同步時(shí)鐘,適合源同步信號(hào)測(cè)試。

眼圖相關(guān)概念

單位時(shí)間間隔(UI)

指 1 個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)的周期(碼率)。

碼型

常見(jiàn)的有歸零碼、非歸零碼(NRZ)和雙極性碼,本文以 NRZ 為例介紹。

概率密度函數(shù)(PDF)

工程上用直方圖統(tǒng)計(jì),標(biāo)準(zhǔn)差 σ 表示數(shù)據(jù)偏離均值 μ 的程度,3σ 包含至少 99% 的概率信息,眼圖參數(shù)測(cè)量多以此為參考。

眼圖關(guān)鍵參數(shù)

眼幅度和眼高度

眼幅度=Level1?Level0(Level1 和 Level0 為眼圖高、低電平,是 UI 中間 20% 區(qū)域垂直方向 PDF 概率最高的位置)。

眼高度=(Level1?3σ1)?(Level0+3σ0),利用 3σ 位置確定。

品質(zhì)因子和誤碼率

品質(zhì)因子(Q 因子):反映眼圖信噪比,Q=(Level1?Level0)/(σ1+σ0),值越高,眼圖質(zhì)量和信噪比越好。

誤碼率(BER):由 Q 因子通過(guò)高斯誤差函數(shù)計(jì)算,信噪比 SNR=20Log (Q)(dB)。

眼寬度

指水平兩個(gè)眼交叉點(diǎn)之間的水平距離,單位為秒,反映信號(hào)總抖動(dòng),抖動(dòng)大則眼寬小。

上升時(shí)間、下降時(shí)間和占空比

上升 / 下降時(shí)間:根據(jù)頂值(Vtop)和底值(Vbase)確定閾值,測(cè)量上升沿(低到高)和下降沿(高到低)的平均水平距離。

占空比:通過(guò)計(jì)算上升和下降時(shí)間相關(guān)的時(shí)間差得到。

交叉幅度和交叉比

交叉幅度:眼交叉點(diǎn)(UI 邊界位置統(tǒng)計(jì)的概率分布點(diǎn))對(duì)應(yīng)的幅度平均值。

交叉比:交叉幅度與眼幅度的比例,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常為 50%。

抖動(dòng)分析

抖動(dòng)概念

指數(shù)字信號(hào)瞬時(shí)變化相對(duì)于理想位置的偏移。

分析方法

常用波形直方圖、時(shí)間間隔誤差(TIE)直方圖、TIE 趨勢(shì)圖和抖動(dòng)頻譜圖等。TIE 表示時(shí)鐘有效沿相對(duì)理想位置的變化。

抖動(dòng)分類

隨機(jī)抖動(dòng)(Rj):符合高斯分布,由熱噪聲等引起,無(wú)界。

確定性抖動(dòng)(Dj):非高斯分布且有界,可分解為周期性抖動(dòng)(Pj,與周期信號(hào)相關(guān))、占空比失真抖動(dòng)(DCD,因上升 / 下降時(shí)間不對(duì)稱等導(dǎo)致)、碼間干擾抖動(dòng)(ISI,與傳輸鏈路效應(yīng)等相關(guān),又稱數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng))。

浴盆曲線

反映眼圖開(kāi)度與誤碼率的關(guān)系,Y 軸為誤碼率(對(duì)數(shù)坐標(biāo)),X 軸為采樣時(shí)刻(1UI 范圍)。確定性抖動(dòng)形成平坦部分,隨機(jī)抖動(dòng)形成斜坡部分,可用于分析不同誤碼率下的總體抖動(dòng)。

眼圖分析能有效評(píng)估高速互連系統(tǒng)性能,為系統(tǒng)優(yōu)化提供關(guān)鍵依據(jù)。

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