1 眼图基本概念
1.1 眼图的形成原理
眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形，它包含了丰富的信息，从眼图 上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现了数字信号整体的特征，从而估计系统优劣程 度，因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。另外也可以用此图形对接收滤 波器的特性加以调整，以减小码间串扰，改善系统的传输性能。 用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，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的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。示波器一般 测量的信号是一些位或某一段时间的波形，更多的反映的是细节信息，而眼图则反映的是 链路上传输的所有数字信号的整体特征，如下图所示：
系统性能的改善提供依据。 分析实际眼图，再结合理论，一个完整的眼图应该包含从“000”到“111”的所有状 态组，且每一个状态组发生的次数要尽量一致，否则有些信息将无法呈现在屏幕上，八种 状态形成的眼图如下所示：
图 眼图形成示意图 由上述的理论分析，结合示波器实际眼图的生成原理，可以知道一般在示波器上观测 到的眼图与理论分析得到的眼图大致接近（无串扰等影响） ，如下所示：
图 抖动的眼图交点 器件生成的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)和确定 性抖动(DJ)，其中确定性抖动(Deterministic Jitter)又可以分为周期性抖动（Periodic Jitter） 、 占空比失真（Duty Cycle Distortion） 、码间干扰（Inter-Symbol Interference）和串扰。DCD
上升时间 平均（80%时间位准）-平均（20%时间位准）
图 眼图信号上升时间 我们知道，时间位准 20%及 80%是与信号位准 1 及 0 有着相关性的。当然，如果上升 时间愈短， 即愈能表现出眼图中间的白色区块， 即代表可传递的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：
和“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的 20%）分布振幅值进行的。 眼宽反映信号的总抖动，即是眼图在水平轴所开的大小，其定义为两上缘与下缘交汇 的点（Crossing Point）间的时间差。交叉点之间的时间是基于信号中的两个零交叉点处的 直方图平均数计算而来，每个分布的标准偏差是从两个平均数之间的差值相减而来。 眼高即是眼图在垂直轴所开的大小，它是信噪比测量，与眼图振幅非常相似。 下面详细介绍如消光比等一些复杂的概念，以帮忙理解眼图的性能。 （1）消光比（Extinction Ratio） 消光比定义为眼图中“1”电平与“0”电平的统计平均的比值，其计算公式可以是如 下的三种：
图 不同眼交叉比与脉冲信号的关系 对于一般的信号而言，平均分布信号位准 1 及 0 是最常见的。一般要求眼图交叉比为 50%，即以相同的信号脉冲 1 与 0 长度为标准，来作相关参数的验证。因此，根据眼交叉
比关系的分布，可以有效地测量因不同 1 及 0 信号位准的偏差所造成的相对就振幅损失分 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是以眼图占 20%～80%的部分为主，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 示波器中的信号与眼图 如果示波器的整个显示屏幕宽度为 100ns，则表示在示波器的有效频宽、取样率及记 忆体配合下，得到了 100ns 下的波形资料。但是，对于一个系统而言，分析这么短的时间 内的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，突波出现的机率很小，因此会错过某些重要的信息。如果要衡量整个系统的性能， 这么短的时间内测量得到的数据显然是不够的。设想，如果可以以重复叠加的方式，将新 的信号不断的加入显示屏幕中，但却仍然记录着前次的波形，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的性能，如串扰、噪声以及其他的一些参数，为整个
下降时间 平均（20%时间位准）-平均（80%时间位准）
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的白色区块，可以传 递的信号及容忍误码比率愈好。 （4）Q 因子（Q Factor） Q 因子用于测量眼图信噪比的参数，它的定义是接收机在最佳判决门限下信号功率和 噪声功率的比值，可适用于各种信号格式和速率的数字信号，其计算公式如下：
成比例提高，进而导致误码。因此，在系统中尽可能的减少这种相关抖动，提升系统总体 性能。 抖偏离，示意图如下：
图 抖动示意图 示波器观测到的抖动如下图所示。图中为抖动大的眼图的交点，其直方图是一个像素 宽的交点块投射到时间轴上的投影。理想情况下应该为一个点，但由于码元的水平波动， 导致其形成了一个区域。
Ratio Ptop Pbase Ptop Pbase Ptop Pbase (dB)
Ratio% 100 Ratio 100 log
消光比在光通信发射源的量测上是相当重要的参数，它的大小决定了通信信号的品 质。消光比越大，代表在接收机端会有越好的逻辑鉴别率；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的灵敏度，从提高接收机灵敏度的角度希望消光比尽可能 大，有利于减少功率代价。但是，消光比也不是越大越好，如果消光比太大会使激光器的 图案相关抖动增加。因此，一般的对于 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。这不是一个绝对的数值，之所以给出这么一个数值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，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。一般标准的信号其交叉比为 50%，即表示信号“1”及“0”各占一 半的位冷。为了测量其相关比率，使用如下图所示的统计方式。交叉位准依据交叉点垂直 统计的中心窗口而计算出来的平均值，其比例方程式如下（其中的 1 及 0 位准是取眼图中
源自时钟周期中的不对称性。ISI 源自由于数据相关效应和色散导致的边沿响应变化。PJ 源自周期来源的电磁捡拾， 如电源馈通。 串扰是由捡拾其它信号导致的。 DJ 的主要特点是， 其峰到峰值具有上下限。DCD 和 ISI 称为有界相关抖动，Pj 和串扰称为不相关有界抖动， 而 RJ 称为不相关无界抖动。另外，抖动分布是 RJ 和 DJ 概率密度函数的卷积。 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的减少抖动产生的影响， 同时可以确定抖动对 BER 的影响，并保证系统 BER 低于某个最大值，通常是 1012 。因此， 抖动的形成原因直观的表示如下图：
图 示波器实际观测到的眼图 如果这八种状态组中缺失某种状态，得到的眼图会不完整，如下所示：
图 示波器观测到的不完整的眼图 通过眼图可以反映出数字系统传输的总体性能，可是怎么样才能正确的掌握其判断方 法呢？这里有必要对眼图中所涉及到的各个参数进行定义，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
相关的眼图参数有很多，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 眼图中的“1”电平（ Ptop ）与“0”（ Pbase ）电平即是表示逻辑为 1 或 0 的电压位准值，实 际中选取眼图中间的 20%UI 部分向垂直轴投影做直方图，直方图的中心值分别为“1”电平
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的数据，由于多种因素的影响，接收端可 能会接收到一些错误的比特（即误码） 。错误的比特数与总的比特数之比称为误码率，即 Bit Error Ratio，简称 BER。误码率是描述数字电路系统性能的最重要的参数。在 GHz 比 特率的通信电路系统中（比如 Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA） ，通常要求 BER 小 于或等于 10
间的 20%为其平均值，即从 40%~60%中作换算） ：
100
交叉位准 0位准 1位准 0位准
图 眼图信号交叉点比例关系 随着交叉点比例关系的不同，表示不同的信号 1 或 0 传递质量的能耐。如下图所示， 左边图形为不同交叉比例关系的眼图，对应到右边相关的 1 及 0 脉冲信号。同时也可以了 解到在不同脉冲信号时间的宽度与图交叉比例的关系。
Q factor Ptop Pbase
1 0
其中， “1”电平的平均值 Ptop 与“0”电平的平均值 Pbase 的差为眼幅度， “1”信号噪声 有效值 1 与“0”信号噪声有效值 0 之和为信号噪声有效值。 Q 因子综合反映眼图的质量问题。Q 因子越高，眼图的质量就越好，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 电平的这条线越细、越平滑，Q 因子越高。在不加光衰减的情况下，发送侧光眼 图的 Q 因子不应该小于 12，接收测的 Q 因子不应该小于 6 。 （5）平均功率 通过眼图反映的平均功率，即是整个数据流的平均值。与眼图振幅测量不同，平均功 率则是直方图的平均值。如果数据编码正常工作，平均功率应为总眼图振幅的 50%。 （6）抖动 抖动是在高速数据传输线中导致误码的定时噪声。如果系统的数据速率提高，在几秒 内测得的抖动幅度会大体不变，但在位周期的几分之一时间内测量时，它会随着数据速率