眼圖是如何形成原理的？

在用示波器觀察傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號時，使用被測系統(tǒng)的定時信號，通過示波器外觸發(fā)或外同步對示波器的掃描進行控制，由于掃描周期此時恰為被測信號周期的整數(shù)倍，因此在示波器熒光屏上觀察到的就是一個由多個隨機符號波形共同形成的穩(wěn)定圖形。這種圖形看起來象眼睛，稱為數(shù)字信號的眼圖。一個完整的眼圖應該包含“000”到“111”的所有狀態(tài)組，8種狀態(tài)形成眼圖的過程如下圖所示：

示波器一般測量的信號是一些位或某一時間段的波形，更多的反映的是細節(jié)信息，而眼圖是一系列數(shù)字信號在示波器上累積而顯示的圖形，它包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，體現(xiàn)了數(shù)字信號整體的特征，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度，為整個系統(tǒng)性能的改善提供依據(jù)。

眼圖的結構和參數(shù)

眼圖的參數(shù)有很多，如眼高、眼寬、眼幅度、眼交叉比、消光比、Q因子、平均功率等，各個參數(shù)如下圖所示：

“眼幅度”表示“1”電平信號分布與“0”電平信號分布平均數(shù)之差，其測量是通過在眼圖中央位置附近區(qū)域（通常為零點交叉時間之間距離的20%）分布振幅值進行的。

“眼寬”反映信號的總抖動，即是眼圖在水平軸所開的大小，其定義為兩上緣與下緣交匯的點（Crossing Point）間的時間差。

“眼高”即是眼圖在垂直軸所開的大小，它是信噪比測量，與眼圖振幅非常相似。

下面詳細介紹如消光比等一些復雜的概念，以幫忙理解眼圖的性能。

 消光比

消光比定義為眼圖中“1”電平比“ 0 ”電平的值。根據(jù)不同的速率、不同的傳輸距離、不同的激光器類型，消光比要求不一樣。一般的對于 FP/DFB 直調(diào)激光器要求消光比不小于 8.2dB 。EML 電吸收激光器消光比不小于 10dB 。ITU-T 中對于消光比沒有規(guī)定一個最大值，但是這并不意味著消光比可以無限大，消光比太高了，將導致激光器的啁啾系數(shù)太大，導致通道代價超標，不利于長距離傳輸。一般建議實際消光比與最低要求消光比大 0.5~1.5dB。這不是一個絕對的數(shù)值，之所以給出這么一個數(shù)值是害怕消光比太高了，傳輸以后信號劣化太厲害，導致誤碼產(chǎn)生或通道代價超標。

眼交叉比

交叉點就是兩只眼睛交叉的地方，它的比例反映了信號的占空比大小。由于傳輸過程中，光信號的脈沖寬度將會展寬，導致接收側的交叉點相對于發(fā)送側上移。為了有利于長距離傳輸，保證接收側的交叉點比例在大約 50%左右，使得接收側的靈敏度最佳，我們一般建議在發(fā)送側把交叉點的位置稍微下移一些 ，一般發(fā)送側交叉點比例建議控制在 40%~45%。

Q因子

Q 因子可以通過示波器測得，它綜合反映出眼圖的質(zhì)量問題。Q 因子越高越好，表明眼圖的質(zhì)量越好。Q 因子一般受噪聲、光功率、電信號是否從始端到終端阻抗匹配（有關阻抗匹配，后文會詳細說明）等因素影響。一般來說，眼圖中“1”電平的這條線越細、越平滑，Q 因子越高。在不加光衰減的情況下，發(fā)送側光眼圖的 Q 因子不應該小于 12 ，越高越好。接收測的 Q 因子不應該小于 6 ，越高越好。

信號的上升時間、下降時間

信號的上升時間、下降時間反映了信號的上升、下降的快慢，一般指整個信號幅度的 20%~80%的變化的時間。一般要求其上升、下降時間不能大于信號的周期的 40%。如 9.95G 信號要求其上升、下降時間不大于 40ps。

抖動

抖動是在高速數(shù)據(jù)傳輸線中導致誤碼的定時噪聲。如果系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率提高，在幾秒內(nèi)測得的抖動幅度會大體不變，但在位周期的幾分之一時間內(nèi)測量時，它會隨著數(shù)據(jù)速率成比例提高，進而導致誤碼。因此，在系統(tǒng)中盡可能的減少這種相關抖動，提升系統(tǒng)總體性能。分析抖動以及其具體產(chǎn)生原因?qū)⒂兄谠谙到y(tǒng)設計時盡可能的減少抖動產(chǎn)生的影響，同時可以確定抖動對BER的影響，并保證系統(tǒng)BER低于某個最大值，通常是。因此，抖動的形成原因直觀的表示如下圖：

信噪比

信噪比同樣可以定性反映信號的質(zhì)量好壞，做為一個比較參考。這個測量值是越大越好，一般在發(fā)送側的測量值都大于 30dB。定量地測量需要使用光譜分析儀。

眼圖與系統(tǒng)性能

經(jīng)過研究和實驗可以從眼圖中得出整體系統(tǒng)的性能情況，這里我們結合眼圖框架給出下面的結論。

（1）最佳抽樣時刻應是“眼睛”張開最大的時刻；

（2）眼圖斜邊的斜率決定了系統(tǒng)對抽樣定時誤差的靈敏程度；斜率越大，對定 時誤差越靈敏；

（3）眼圖的陰影區(qū)的垂直高度表示信號的畸變范圍；

（4）眼圖中央的橫軸位置對應于判決門限電平；

（5）過零點失真為壓在橫軸上的陰影長度，有些接收機的定時標準是由經(jīng)過判 決門限點的平均位置決定的，所以過零點失真越大，對定時標準的提取越不利。

（6）抽樣時刻上、下兩陰影區(qū)的間隔距離之半為噪聲容限，噪聲瞬時值超過它 就可能發(fā)生錯誤判決。

眼圖與誤碼率

在數(shù)字電路系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送出多個比特的數(shù)據(jù)，由于多種因素的影響，接收端可能會接收到一些錯誤的比特（即誤碼）。錯誤的比特數(shù)與總的比特數(shù)之比稱為誤碼率，即Bit Error Ratio，簡稱BER。誤碼率是描述數(shù)字電路系統(tǒng)性能的最重要的參數(shù)。在GHz比特率的通信電路系統(tǒng)中（比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求BER小于或等于10-12。誤碼率較大時，通信系統(tǒng)的效率低、性能不穩(wěn)定。影響誤碼率的因素包括抖動、噪聲、信道的損耗、信號的比特率等。

在誤碼率（BER）的測試中，碼型發(fā)生器會生成數(shù)十億個數(shù)據(jù)比特，并將這些數(shù)據(jù)比特發(fā)送給輸入設備，然后在輸出端接收這些數(shù)據(jù)比特。然后，誤碼分析儀將接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的原始數(shù)據(jù)一位一位進行對比，確定哪些碼接收錯誤，隨后會給出一段時間內(nèi)內(nèi)計算得到的BER?？紤]誤碼率測試的需要，我們以下面的實際測試眼圖為參考，以生成BER圖，參考眼圖如下所示：

BER圖是樣點時間位置BER(t)的函數(shù)，稱為BERT掃描圖或浴缸曲線。簡而言之，它是在相對于參考時鐘給定的額定取樣時間的不同時間t上測得的BER。參考時鐘可以是信號發(fā)射機時鐘，也可以是從接收的信號中恢復的時鐘，具體取決于測試的系統(tǒng)。以上述的眼圖為參考，眼睛張開度與誤碼率的關系以及其BER圖如下：

圖 眼睛張開度與誤碼率的關系

圖 BER(T)掃描或浴缸曲線

上述兩圖中，BER圖與眼圖時間軸相同，兩側與眼圖邊沿相對應，樣點位于中心。BER一定時，曲線之間的距離是該BER上的眼圖張開程度。在樣點接近交點時，抖動會導致BER提高到最大0.5。