示波器通過高速采樣、合適的觸發(fā)設置以及信號疊加等步驟，能夠有效地捕獲并顯示眼圖信號。

示波器如何捕獲信號

示波器生成眼圖的核心依賴于高精度信號捕獲技術，主要分為兩類：

1)實時采樣（Real-Time Sampling, RT）

原理：以固定采樣率（如100 GS/s）連續(xù)捕獲信號波形，直接記錄每個時間點的電壓值

優(yōu)勢：支持單次觸發(fā)捕獲瞬態(tài)事件（如突發(fā)錯誤信號）

局限性：受限于ADC（模數(shù)轉換器）帶寬與存儲深度，超高速信號（如56G PAM4）可能需要降速或插值處理

典型應用：調試實時系統(tǒng)（如DDR內存讀寫異常）

2)等效時間采樣（Equivalent-Time Sampling, ET）

原理：對周期性信號多次采樣，每次觸發(fā)后微小幅移采樣點，最終拼合成高分辨率波形

優(yōu)勢：突破ADC采樣率限制，實現(xiàn)超高分辨率（適用于光通信等超高速場景）

局限性：僅適用于重復性信號，無法捕捉單次事件

典型應用：分析100G以上SerDes信號或光模塊眼圖

觸發(fā)與同步：時鐘恢復技術的作用

數(shù)字信號通常無獨立時鐘線（如PCIe、USB），需從數(shù)據(jù)流中提取時鐘以實現(xiàn)同步疊加。

1)時鐘恢復（Clock Recovery）

硬件時鐘恢復：通過鎖相環(huán)（PLL）或CDR（時鐘數(shù)據(jù)恢復）電路實時提取時鐘

軟件時鐘恢復：后處理階段通過算法（如互相關運算）重建參考時鐘

2)同步觸發(fā)

邊沿觸發(fā)：適用于有參考時鐘的信號（如HDMI）

碼型觸發(fā)：針對特定數(shù)據(jù)序列（如PRBS7）定位疊加起點

疊加原理：從UI到統(tǒng)計眼圖

眼圖的生成本質是將信號按單位間隔（UI）對齊并疊加，具體步驟如下：

1)UI分割

根據(jù)數(shù)據(jù)速率計算UI長度（例如：5 Gbps信號的UI=200 ps）

將捕獲的長信號流切割為多個UI片段（每個片段包含一個碼元周期）

 2)垂直堆疊

將所有UI片段的波形疊加顯示，形成“所有可能信號路徑”的統(tǒng)計分布

3)概率密度映射

通過顏色或灰度區(qū)分高頻/低頻區(qū)域（如紅色=頻繁出現(xiàn)的電壓/時間點）

眼圖生成模式：硬件加速 vs. 軟件后處理

根據(jù)生成方式不同，眼圖可分為兩類：

1)硬件眼圖（實時示波器）

原理：利用示波器專用ASIC或FPGA實時處理信號，直接輸出眼圖

優(yōu)勢：速度快、延遲低，適合交互式調試

典型場景：生產(chǎn)線快速檢測或協(xié)議一致性測試（如USB-IF認證）

2)軟件眼圖（后處理分析）

原理：將原始波形數(shù)據(jù)導入軟件（如Matlab、Signal Integrity Tools），通過離線算法生成眼圖

優(yōu)勢：支持復雜分析（如均衡仿真、抖動分解），靈活性高

典型場景：學術研究或自定義信號分析（如預加重優(yōu)化）

眼圖的關鍵參數(shù)解讀

眼高（Eye Height）

定義：眼圖垂直方向中央開口的最大電壓范圍，即從最低高電平（Upper Rail）到最高低電平（Lower Rail）的距離。

技術意義：

噪聲容限：眼高直接決定系統(tǒng)抗噪聲能力。例如，眼高為400 mV時，噪聲需超過200 mV才會導致誤碼（假設判決閾值為中點）

信號幅值穩(wěn)定性：眼高縮小可能由電源波動、阻抗失配或信道損耗（如PCB走線高頻衰減）引起

工程實踐：

合規(guī)性標準：如USB3.2 Gen 1的標準通常要求眼高不小于160毫伏（mV）（在眼圖的最開闊處測量）

故障排查：若眼高不足，需檢查發(fā)射端驅動能力、電源完整性或信道S參數(shù)

眼寬（Eye Width）

定義：眼圖水平方向中央開口的時間范圍，通常以單位間隔（UI）百分比表示（如0.6 UI）。

技術意義：

時序容限：眼寬決定接收端采樣窗口的余量。例如，眼寬為0.7 UI時，允許的時鐘抖動需小于±0.15 UI（假設采樣點在中心）

碼間干擾（ISI）：眼寬變窄通常由信道帶寬不足或反射引起，導致相鄰碼元波形疊加

工程實踐：

優(yōu)化手段：增加預加重（Pre-emphasis）或接收端均衡（CTLE/DFE）可展寬眼寬

極限案例：當眼寬趨近于0時，系統(tǒng)誤碼率急劇上升，需重新設計信道或降低速率

抖動（Jitter）

定義：信號邊沿在時間軸上的偏移，表現(xiàn)為眼圖左右邊界的模糊程度。

分類與影響：

隨機抖動（RJ）：

來源：熱噪聲、散粒噪聲等不可預測因素

特性：無界高斯分布，需通過統(tǒng)計模型（如浴缸曲線）預測誤碼率

確定性抖動（DJ）：

子類：周期性抖動（PJ）、占空比失真（DCD）、碼間干擾抖動（ISI）

特性：有界且可追溯（如PJ與開關電源噪聲頻率相關）

測量方法：

TIE（Time Interval Error）分析：通過直方圖分離RJ與DJ分量

2眼圖模板測試：檢查抖動是否侵入模板禁區(qū)（Mask Violation）

上升/下降時間（Rise/Fall Time）

定義：信號從10%到90%幅值（或反向）所需的時間。

技術意義：

邊沿速度與帶寬：上升時間越短，信號高頻分量越豐富（帶寬≈0.35/Tr）

對眼圖的影響：

ü邊沿過慢 → 交叉點模糊，眼寬縮小（ISI加?。?/span>

ü邊沿過快 → 高頻輻射（EMI問題），可能引發(fā)振鈴

誤碼率（BER）與浴缸曲線（Bathtub Curve）

關聯(lián)邏輯：

眼圖的水平張開度（眼寬）和垂直張開度（眼高）共同決定誤碼率

浴缸曲線：展示BER隨時間偏移（采樣點位置）的變化趨勢

曲線特征：中間區(qū)域（眼寬內）BER最低，兩側隨偏移量增大呈指數(shù)上升

工程應用：

BER預估：通過眼圖測量Q因子（SNR相關），推算BER（如BER=1e-12對應Q=7）

采樣點優(yōu)化：調整接收端采樣相位至浴缸曲線“底部”最平坦處

眼圖的應用場景

眼圖的應用場景非常廣泛，涵蓋了多個領域和多種信號傳輸系統(tǒng)。眼圖作為一種直觀且強大的信號分析工具，在高速數(shù)字通信、電路設計、信號質量評估以及研發(fā)驗證等多個領域發(fā)揮著重要作用。

高速數(shù)字系統(tǒng)驗證

眼圖是驗證高速接口信號完整性的核心工具，典型場景包括：

1)PCIe接口測試

應用層級：從PCIe 3.0（8 GT/s）到PCIe 6.0（64 GT/s PAM4），每代速率翻倍均需更嚴苛的眼圖測試

關鍵參數(shù)：

眼高需滿足接收端均衡后規(guī)范（如PCIe 5.0要求≥120 mV）

抖動需分解為RJ（隨機抖動）和DJ（確定性抖動），確保總抖動（TJ）在容限內

測試挑戰(zhàn)：高頻損耗（如PCB插入損耗）需通過預加重（Tx EQ）和接收端均衡（CTLE/DFE）補償

2)接口認證

標準演進：USB 3.2 Gen2（10 Gbps）到USB4（40 Gbps PAM3），眼圖模板復雜度升級

 實測案例：

USB 3.2 Gen2要求眼圖不得侵入“菱形”模板禁區(qū)

未端接的USB線纜會因反射導致眼圖閉合，需調整端接電阻或縮短線長

 HDMI/DisplayPort視頻接口

信號特點：TMDS編碼信號需驗證眼圖對稱性與交叉點位置

典型問題：長距離傳輸導致眼圖塌陷，需通過Redriver芯片或主動電纜補償

通信系統(tǒng)分析

眼圖在無線與光通信中扮演關鍵角色：

 1)光纖通信系統(tǒng)

光模塊測試：25G/100G/400G光模塊需通過眼圖驗證調制質量（如NRZ/PAM4）

測試方法：

采樣示波器配合光參考接收機（ORR）生成標準眼圖

檢查眼高、眼寬及抖動是否符合IEEE 802.3標準（如100GBASE-LR4要求BER<1e-12）

特殊需求：相干光通信需分析偏振態(tài)與相位噪聲，引入多維眼圖

 2)射頻信號調制質量評估

調制制式：QAM、PSK等射頻調制信號可通過等效基帶眼圖評估符號間干擾

應用案例：

5G NR信號的EVM（誤差矢量幅度）與眼圖張開度強相關

Wi-Fi 6E中，160 MHz信道帶寬要求更嚴格的眼圖模板測試

故障診斷與根因分析

眼圖是定位信號問題的“顯微鏡”。它通過將多個周期的信號波形疊加在一起，形成直觀的圖形，能夠清晰地展示信號的時序特性和幅度特性。眼圖的張開程度、清晰度和對稱性等特征，為工程師提供了快速評估信號質量的手段，幫助他們迅速發(fā)現(xiàn)信號傳輸中的抖動、噪聲和碼間干擾等問題。

 1)信號失真定位

阻抗失配：眼圖出現(xiàn)“重影”或振鈴（由反射引起），需檢查PCB阻抗連續(xù)性或連接器接觸

串擾（Crosstalk）：相鄰信號線的耦合會導致眼圖邊緣毛刺，通過時域反射（TDR）定位干擾源

2)電源噪聲排查

表現(xiàn)特征：眼圖頂部/底部出現(xiàn)周期性塌陷（與開關電源頻率同步）

解決方案：優(yōu)化電源濾波網(wǎng)絡或增加去耦電容

3)高頻損耗分析

典型現(xiàn)象：眼圖交叉點斜率降低，眼寬變窄（由信道帶寬不足導致）

調試手段：

仿真驗證：通過S參數(shù)模型預測眼圖閉合趨勢

硬件補償：增加發(fā)射端預加重或接收端均衡器

標準合規(guī)性測試

行業(yè)標準通過眼圖模板（Mask）定義信號質量門檻：

1)主流標準組織與規(guī)范

USB-IF：定義USB 3.2/4接口的眼圖模板形狀與測試條件

IEEE：802.3（以太網(wǎng)）、802.11（Wi-Fi）等標準包含詳細眼圖要求

OIF（光互聯(lián)論壇）：規(guī)范CEI（通用電氣接口）光模塊眼圖參數(shù)

2)模板測試（Mask Test）流程

自動化測試：示波器內置模板比對功能，實時標記違規(guī)點

報告生成：輸出眼高、眼寬、抖動及模板違規(guī)比例（如Pass/Fail判定）

如何用示波器測量眼圖？

以羅德與施瓦茨RTP示波器（含“高級眼圖分析”選件）為例。

設置“硬件CDR”觸發(fā)

路徑："Menu" > "Trigger" > "Setup" tab > "Source = CDR" > "Hardware CDR".

設置“眼圖”測試

路徑：[Apps]> "Analysis" > "Eye Analysis" > "Setup" tab

設置State為“On”

點擊“Hardware CDR”，設置“硬件CDR”參數(shù)

在“Serial standard”菜單選擇相應的串行協(xié)議類型，或者點擊“Estimate bit rate”讓儀表自動評估比特率

設置“色溫顯示”

路徑：[Apps]> "Analysis" > "DDR Eye" > "Display" tab

設置“眼圖模板”

路徑：[Apps] > "Analysis" tab > "Mask" > "Define Mask"

Mask type下拉框，選擇“eye”，點擊“Setup mask”

設置“Shape”及相應的W/H等參數(shù)