示波器眼圖的基本原理和相關概念
眼圖的定義與作用
眼圖(Eye Diagram)是通過余輝方式累積疊加串行信號比特位形成的圖形,因形狀類似眼睛而得名。它蘊含著豐富的信號信息,能直觀反映碼間串擾和噪聲對數字信號的影響,是高速互連系統信號完整性分析的核心工具。工程師可依據眼圖調整接收濾波器特性,減小碼間串擾,優化系統傳輸性能。
眼圖的形成原理
數字信號的高、低電平變化存在多種序列組合,以 3 個比特為例,就有 000 到 111 共 8 種組合。在時域中,將足夠多的這類序列按某一基準點對齊并疊加,便形成了眼圖。
傳統生成方法
傳統方法是 “每次觸發疊加一個 UI(單位時間間隔)”,雖原理簡單,但會將儀器觸發電路的抖動引入測量,導致結果不夠精確。
新生成方法
新方法采用 “同步切割+疊加顯示”:示波器先捕獲連續比特位信號,通過軟件 PLL 恢復時鐘,再利用恢復的時鐘對捕獲信號按比特位切割并疊加。該方法解決了觸發抖動問題,處理 UI 多且速度快。
數據邊沿提取:獲取捕獲數據的最大值(Max)和最小值(Min),設閾值 Threshold=0.5*(Max+Min),記錄信號穿過閾值的時間 Edgetime_initial [i]。當碼元速率高導致采樣點少、誤差大時,需在閾值附近插值。處理噪聲干擾可采用觸發粘滯比較法,即信號大于高電平為高,小于低電平為低,否則保持不變。
時鐘恢復:這是眼圖抖動生成的關鍵,寬帶示波器常用三種方式。黃金鎖相環(軟件 PLL)可調節恢復時鐘頻率,補償頻率變化,支持一、二級 PLL 且參數可調;常數時鐘恢復通過預置碼元速率結合數據邊沿,用最小二乘法擬合,需加濾波器消除低頻抖動;外部時鐘恢復直接用外部同步時鐘,適合源同步信號測試。
眼圖相關概念
單位時間間隔(UI)
指 1 個比特數據的周期(碼率)。
碼型
常見的有歸零碼、非歸零碼(NRZ)和雙極性碼,本文以 NRZ 為例介紹。
概率密度函數(PDF)
工程上用直方圖統計,標準差 σ 表示數據偏離均值 μ 的程度,3σ 包含至少 99% 的概率信息,眼圖參數測量多以此為參考。
眼圖關鍵參數
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。
品質因子和誤碼率
品質因子(Q 因子):反映眼圖信噪比,Q=(Level1?Level0)/(σ1+σ0),值越高,眼圖質量和信噪比越好。
誤碼率(BER):由 Q 因子通過高斯誤差函數計算,信噪比 SNR=20Log (Q)(dB)。
眼寬度
指水平兩個眼交叉點之間的水平距離,單位為秒,反映信號總抖動,抖動大則眼寬小。
上升時間、下降時間和占空比
上升 / 下降時間:根據頂值(Vtop)和底值(Vbase)確定閾值,測量上升沿(低到高)和下降沿(高到低)的平均水平距離。
占空比:通過計算上升和下降時間相關的時間差得到。
交叉幅度和交叉比
交叉幅度:眼交叉點(UI 邊界位置統計的概率分布點)對應的幅度平均值。
交叉比:交叉幅度與眼幅度的比例,標準信號通常為 50%。
抖動分析
抖動概念
指數字信號瞬時變化相對于理想位置的偏移。
分析方法
常用波形直方圖、時間間隔誤差(TIE)直方圖、TIE 趨勢圖和抖動頻譜圖等。TIE 表示時鐘有效沿相對理想位置的變化。
抖動分類
隨機抖動(Rj):符合高斯分布,由熱噪聲等引起,無界。
確定性抖動(Dj):非高斯分布且有界,可分解為周期性抖動(Pj,與周期信號相關)、占空比失真抖動(DCD,因上升 / 下降時間不對稱等導致)、碼間干擾抖動(ISI,與傳輸鏈路效應等相關,又稱數據相關抖動)。
浴盆曲線
反映眼圖開度與誤碼率的關系,Y 軸為誤碼率(對數坐標),X 軸為采樣時刻(1UI 范圍)。確定性抖動形成平坦部分,隨機抖動形成斜坡部分,可用于分析不同誤碼率下的總體抖動。
眼圖分析能有效評估高速互連系統性能,為系統優化提供關鍵依據。
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