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PISI：眼图1：眼图相关基本概念

news 来源：原创 2025/8/25 16:15:45

0 英文缩写

TIE（Time Interval Error）时间间隔误差，
UI（Unit Interval）单位间隔
PDF（Probability Density Function）概率密度函数
BER（Bit Error Rate）误码率
TJ（Time Jitter）时间抖动
- RJ（Random Jitter）随机抖动
- DJ（Deterministic Jitter）确定性抖动
- PJ（Periodic Jitter）周期性抖动
- DDJ（Data-Dependent Jitter）数据相关抖动
- BUJ（Bounded Uncorrelated Jitter）有界不相关抖动
ISI（Intersymbol Interference）码间干扰

1 眼图定义与意义

1.1 眼图定义

眼图（Eye Diagram）是在示波器上用余辉的方式，将采集到的一系列串行信号的多个单位间隔（UI）的波形叠加形成的图形叠加显示，该叠加后的图形形状看起来和眼睛很像，故名眼图，用于直观评估信号完整性。

眼图包含了丰富的信息，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。

眼图的 “眼睛” 张开的大小反映着码间串扰的强弱。 “眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。

眼图的眼高代表噪声
眼宽代表抖动

1.2 眼图意义

眼图的意义：眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形，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。眼图的分析：数字系统信号完整性分析的关键之一。

3 眼图怎么看

3.1 眼图眼高的含义

上图是一个典型的眼图测试各指标的示意图。其中眼图眼高定义如下（眼高最终结果与波形噪声标准偏差有直接关系）：
$(Avg_{P_{Top}}-3*\sigma_{P_{Top}})- (Avg_{P_{Base}}+3*\sigma_{P_{Base}})$

$Avg_{P_{Top}}$ 眼图波形顶部的均值
$\sigma_{P_{Top}}$ 眼图波形顶部的噪声标准偏差或均方根值
$Avg_{P_{Base}}$ 眼图波形底部的均值
$\sigma_{P_{Base}}$ 眼图波形底部的噪声标准偏差或均方根值

3.2 眼图波形的含义

3.2.1 波形叠加

眼图实际上就是数字信号的一系列不同二进制码按一定的规律在示波器屏幕上累积后的显示，简单地说，由于示波器具有余辉功能，只要将捕获的所有波形按每三个比特分别地叠加累积，从而就形成了眼图。

眼图是查看抖动的最常用方式之一，可能的 8 种比特跳变组合及其层叠形成的眼图

3.2.2 眼图中心与眼图边缘

眼图核心区域分为眼图中心和眼图边缘，两者在信号分析中具有不同的物理意义和工程价值。

3.2.2.1 眼图中心

定义： 眼图中心指信号波形的水平中心（时间轴中点）和垂直中心（电压轴中点）附近的区域，即眼图的“瞳孔”部分（最开阔区域）
特性：
- 时间维度：对应最佳采样时刻（通常为数据位的中间位置）
- 电压维度：对应稳定电平区域（逻辑“1”和“0”的稳态电压）
- 信号行为：
  - 信号在此区域停留时间最长，电平变化最小
  - 受噪声和抖动影响最小，波形重叠最密集（颜色最深）
工程意义：
- 采样窗口：眼图中心的水平宽度决定了有效采样时间容限。
- 噪声容限：垂直开口高度反映了电压噪声容限，直接影响误码率（BER）。

3.2.2.2 眼图边缘

定义： 眼图边缘指信号跳变沿（上升沿/下降沿）在时间轴上展开的区域，即眼图的“眼皮”且靠近左右两侧的闭合区域
特性：
- 时间维度：对应信号跳变的过渡时间（如10%~90%上升时间）
- 电压维度：电平处于非稳态（介于逻辑“1”和“0”之间）
- 信号行为：
  - 信号在此区域快速变化，受抖动和噪声影响显著
  - 波形分散度高，颜色较浅（出现频次低）
工程意义：
- 抖动分析：边缘的扩散程度反映时间抖动（TJ），尤其是确定性抖动（DJ）。
- 信号完整性：边缘的斜率与振荡（Ringing）可揭示信道损耗、反射或串扰问题。

3.2.2.3 核心区别对比

维度	眼图中心	眼图边缘
时间位置	单位间隔（UI）的中点	靠近UI边界（跳变沿附近）
电压状态	稳定逻辑电平（高/低）	过渡状态（非稳态）
信号质量	反映稳态噪声容限与采样窗口	反映跳变速度、抖动及信道失真
颜色密度	高频次区域（暖色，如红色）	低频次区域（冷色，如蓝色）
优化重点	增大开口以提升采样可靠性	减少扩散以降低误码风险

3.2.2.4 实际应用示例

高速SerDes设计
- 中心关注点：确保中心开口高度 > 接收机灵敏度阈值，垂直噪声容限足够。
- 边缘关注点：抑制边缘的码间干扰（ISI）和周期性抖动（PJ），避免边沿交叉点闭合。
故障诊断
- 中心闭合：可能因阻抗失配（反射）或共模噪声引起稳态电平偏移。
- 边缘扩散：常见于信道损耗（高频衰减）或电源噪声导致的边沿退化。

3.2.2.5 总结

眼图中心：稳态区域，决定采样窗口和噪声容限，是信号质量的“安全区”。
眼图边缘：瞬态区域，揭示抖动和信道损伤，是信号完整性的“风险区”。
设计目标：最大化中心开口，最小化边缘扩散，以实现高可靠性的数据传输。

提示：通过眼图分析工具（如示波器中的眼图模板测试），可快速定位中心与边缘的异常，指导PCB布局、均衡器调整或电源优化。

3.3 眼图颜色的含义

眼图使用颜色分级来显示信号通过图中不同区域的频次高低（注意3.2中的颜色只是为了区分8中波形以及相应不是这里所说的颜色分级与频次），“频次高低”指的是信号在特定时间和电压位置出现的概率密度，通过颜色分级直观显示。具体解释如下：

暖色（如红、黄）：表示信号在该区域出现的频率高，即多次采样的数据中，信号在此时刻和电压值附近出现的次数多，集中度高
冷色（如蓝、绿）：表示频率低，信号较少出现在此区域

时间间隔误差：是实际信号边沿与理想时钟边沿之间的时间差。颜色分级所代表的频次高低，提供了另一种查看时间间隔误差（TIE）频次的方法。理想情况下，信号的跳变边沿（如上升沿和下降沿）应在固定的时间点发生，并且电压值稳定在逻辑高或低电平。在多次采样叠加后，眼图频次与TIE关系如下：

时间间隔误差：表示时钟的每个有效沿相对于理想位置的变化
TIE小：信号在中心区域集中，说明大部分边沿接近理想位置，形成颜色更暖的区域，时间偏差小，被有效控制
TIE大：信号从高到低或低到高跳变的过渡区（即眼图的边缘或交叉区域），信号出现的次数较少较为分散，颜色较冷，这些区域的低频次代表信号偏离了理想时间和电压范围。可能是由于噪声、时钟不稳定或信道损耗导致。

3.4 眼图抖动的含义

抖动（Jitter）是信号在时间上的波动。低抖动意味着信号边沿的时间一致性高，稳定性强，从而确保采样时刻的准确性，降低误码率。

从抖动对信号分布的影响来看：

抖动即为信号在时间上的不稳定性
低抖动：信号集中在中心，信号边沿位置变化小，眼图边缘出现次数少，时间一致性高，反应为高频次
高抖动：信号边沿在时间轴上分布更广，信号边沿位置变化大，眼图边缘出现次数增加，而中心区域减少，时间上不稳定性增加，反应为低频次

下图中显示了这样的一个例子。直方图中的着色区说明这个眼图有明显的计时误差，图中还表现出误差发生的大致频次。实时眼图软件可以在仪器上自动生成这个眼图，可以很容易地看到随机抖动（RJ）和确定性抖动（DJ）对您的器件有何影响。

3.3.1 随机抖动（RJ）

随机抖动一般可以理解为“发生抖动”。随机抖动终究是不可避免的，但可以对它进行表征。随机抖动呈现高斯分布（无界），它由三个原因共同造成。

热噪声会引起 RJ，可以描述为 $噪声 = k TB$ ，其中 $k$ 是玻尔兹曼常数， $T$ 是开尔文温度， $B$ 是系统带宽
散粒噪声（或泊松噪声）会引起 RJ。散粒噪声是由电子和空穴的量化造成的固有噪声，并且受到偏置电流的影响
“粉红”噪声会引起 RJ，它与频率成反比（1/f）。所有系统将具有某种程度的随机抖动

3.3.2 确定性抖动（DJ）

确定性抖动是非随机的、有界的抖动，它由设计中的次序出现引起。此外，确定性抖动可以分成多个子分量，如：

周期性抖动（PJ）
数据相关抖动（DDJ）
有界不相关抖动（BUJ）

3.4第一张图所示为一个具有确定性抖动的系统实例。与随机抖动不同的是，确定性抖动的概率密度函数（PDF）通常有一个以上的峰。下图也是一个确定性抖动

3.5 综合角度（眼高、频次、相对眼的位置、抖动）看眼图

信号质量高：
- 眼图张开度大，眼高较高
- 高频次区域集中，信号高频次区域集中在理想采样点附近，即眼图中心，颜色偏暖色（如红、黄）
- 信号边沿变化小，边缘干净，时间一致性高，时间偏差（TIE）小 → 抖动低
- 信号在时间和电压上都较为稳定，适合正确采样，稳定性高
信号质量低：
- 眼图张开度小，眼高较低
- 信号高频次区域不明显、分散至边缘、颜色分布广泛；在眼图边缘或交叉点呈现低频次，颜色分布广泛，总体偏冷色（如蓝、绿）
- 信号边沿变化大，边缘离散度高，时间一致性差，时间偏差（TIE）大 → 抖动高，采样窗口缩小，误码风险增加，稳定性差（稳定性差可能由电源噪声、串扰或阻抗不匹配引起。）
- 信号稳定性差，容易受到噪声或干扰影响，导致采样错误。
总结：频次高低通过颜色深浅反映信号在特定位置的统计分布，帮助工程师快速评估时间间隔误差（TIE）的分布特性及整体信号质量。

4 串扰

串扰的定义：是一种失真，主要来自与数据码型无关的幅度干扰。由于耦合效应，一个干净的信号（称为“受扰信号”）可能受到“干扰”信号的串扰影响。干扰信号会使得受扰信号发生变形，并让受扰信号的眼图闭合。

工程师希望信号是串扰极小或完全没有串扰的干净信号，如此才能获得张开幅度较大的眼图，并进行准确无误的数据传输。如果受扰信号中存在串扰，那么这种干扰会导致眼图闭合，从而使得设计裕量变得很小甚至测量结果错误（见下图）。串扰还会降低受扰信号的垂直幅度和水平抖动性能，导致通信链路中的互操作性问题愈发严重。

有串扰和没有串扰的受扰信号眼图。串扰会导致眼图闭合，从而降低设计裕量并可能造成设计的性能达不到技术指标。

LAST 参考文献

“一文读懂高速信号眼图”
“【电子技术】眼图的基本概念和原理（1）_眼图ui-CSDN博客”
“什么是眼图？全面掌握眼图原理和眼图测试 - 知乎”
“眼图详解 - 知乎”