眼圖

眼圖，是由於示波器的餘輝作用，將掃描所得的每一個碼元波形重疊在一起，從而形成眼圖。其是指利用實驗的方法估計和改善（通過調整）傳輸系統性能時在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然後調整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱 為“眼圖”。

眼圖中包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串擾和雜訊的影響，體現了數字信號整體的特徵，從而可以估計系統優劣程度。

眼圖 的“眼睛”張開的大小反映著碼間串擾的強弱。 “眼睛”張的 越大，且眼圖越端正，表示碼間串擾越小；反之表示碼間串擾越大。

當存在雜訊時，雜訊將疊加在信號上，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時存在碼間串擾， “眼睛”將 張開得更小。與無碼間串擾時的眼圖相比，原來清晰端正的細線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。雜訊越大，線跡越寬，越模糊；碼間串擾越大，眼圖越不端正。

眼圖對於展示數字信號傳輸系統的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串擾的大小和雜訊的強弱，有助於直觀地了解碼間串擾和雜訊的影響，評價一個基帶系統的性能優劣；可以指示接收濾波器的調整，以減小碼間串擾。

（ 1 ）最佳抽樣時刻應 在“眼睛”張開最大的時刻。

（ 2 ）對定時誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。斜率越大，對定時誤差就越靈敏。

（ 3 ）在抽樣時刻上，眼圖上下兩分支陰影區的垂直高度，表示最大信號畸變。

（ 4 ）眼圖中央的橫軸位置應對應判決門限電平。

（ 5 ）在抽樣時刻上，上下兩分支離門限最近的一根線跡至門限的距離表示各相應電平的雜訊容限，雜訊瞬時值超過它就可能發生錯誤判決。

（ 6 ）對於利用信號過零點取平均來得到定時信息的接收系統，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區域的大小，表示零點位置的變動範圍，這個變動範圍的大小對提取定時信息有重要的影響。

一般均可以用示波器觀測到信號的眼圖，其具體的操作方法為：將示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然後調整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時示波器屏幕上看到的圖形就稱為眼圖。示波器一般測量的信號是一些位或某一段時間的波形，更多的反映的是細節信息，而眼圖則反映的是鏈路上傳輸的所有數字信號的整體特徵，兩者對比如下圖所示：

如果示波器的整個顯示屏幕寬度為100ns，則表示在示波器的有效頻寬、取樣率及記憶體配合下，得到了100ns下的波形資料。但是，對於一個系統而言，分析這麼短的時間內的信號並不具有代表性，例如信號在每一百萬位元會出現一次突波（Spike），但在這100ns時間內，突波出現的機率很小，因此會錯過某些重要的信息。如果要衡量整個系統的性能，這麼短的時間內測量得到的數據顯然是不夠的。設想，如果可以以重複疊加的方式，將新的信號不斷的加入顯示屏幕中，但卻仍然記錄著前次的波形，只要累積時間夠久，就可以形成眼圖，從而可以了解到整個系統的性能，如串擾、雜訊以及其他的一些參數，為整個系統性能的改善提供依據。

分析實際眼圖，再結合理論，一個完整的眼圖應該包含從“000”到“111”的所有狀態組，且每一個狀態組發生的次數要盡量一致，否則有些信息將無法呈現在屏幕上，八種狀態形成的眼圖如下所示：

由上述的理論分析，結合示波器實際眼圖的生成原理，可以知道一般在示波器上觀測到的眼圖與理論分析得到的眼圖大致接近（無串擾等影響），如下所示：

徠如果這八種狀態組中缺失某種狀態，得到的眼圖會不完整，如下所示：

眼圖中通常顯示的是1.25UI 的時間窗口，眼圖的形狀各種各樣，通過眼圖的形狀特點可以快速地判斷信號的質量。可以根據眼圖的相關參數來判別眼圖的好壞，從而可以衡量系統的性能。眼圖相關的參數有很多，如眼高、眼寬、眼幅度、眼交叉比、“1”電平，“0”電平，消光比，Q 因子，平均功率等，各個參數如下圖中所示：

眼圖中的“1”電平（ top P）與“0”（ base P ）電平即是表示邏輯為1 或0 的電壓位準值，實際中選取眼圖中間的20% UI 部分向垂直軸投影做直方圖，直方圖的中心值分別為“1”電平和“0”電平。

眼幅度表示“1”電平信號分佈與“0”電平信號分佈平均數之差，其測量是通過在眼圖中央位置附近區域（通常為零點交叉時間之間距離的20%）分佈振幅值進行的。

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。交叉點之間的時間是基於信號中的兩個零交叉點處的直方圖平均數計算而來，每個分佈的標準偏差是從兩個平均數之間的差值相減而來。

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。

下面詳細介紹一些複雜的概念，以幫忙理解眼圖的性能。

（1）消光比（Extinction Ratio）消光比定義為眼圖中“1”電平與“0”電平的統計平均的比值，其計算公式可以是如下的三種：

消光比在光通信發射源的量測上是相當重要的參數，它的大小決定了通信信號的品質。消光比越大，代表在接收機端會有越好的邏輯鑒別率；消光比越小，表示信號較易受到干擾，系統誤碼率會上升。

消光比直接影響光接收機的靈敏度，從提高接收機靈敏度的角度希望消光比儘可能大，有利於減少功率代價。但是，消光比也不是越大越好，如果消光比太大會使激光器的圖案相關抖動增加。因此，一般建議實際消光比與最低要求消光比大 0.5~1.5dB。

（2）眼交叉比

眼圖交叉比，是測量交叉點振幅與信號“1”及“0”位準之關係，因此不同交叉比例關係可傳遞不同信號位準。一般標準的信號其交叉比為50%，即表示信號“1”及“0”各佔一半的位準。為了測量其相關比率，使用如下圖所示的統計方式。交叉位準是依據交叉點垂直統計的中心窗口而計算出來的平均值，其比例方程式如下（其中的1 及0 位準是取眼圖中間的20%為其平均值，即從40%~60%中作換算）：

隨著交叉點比例關係的不同，表示不同的信號1 或0 傳遞質量的能耐。如下圖所示，左邊圖形為不同交叉比例關係的眼圖，對應到右邊相關的1 及0 脈衝信號。同時也可以了解到在不同脈衝信號時間的寬度與圖交叉比例的關係。

對於一般的信號而言，平均分佈信號位準1 及0 是最常見的。一般要求眼圖交叉比為50%，即以相同的信號脈衝1 與0 長度為標準，來作相關參數的驗證。因此，根據眼交叉比關係的分佈，可以有效地測量因不同1 及0 信號位準的偏差所造成的相對振幅損失分析。例如，眼交叉比過大，即傳遞過多1 位準信號，將會依此交叉比關係來驗證信號誤碼、屏蔽及其極限值。眼交叉比過小，即傳遞過多0 位準信號，一般容易造成接收端信號不易從其中抽取頻率，導致無法同步，進而產生同步損失。

（3）信號上升時間與下降時間

一般測量上升及下降時間是以眼圖佔20%～80%的部分為主，其中上升時間如下圖，分別以左側交叉點左側(20%)至右側(80%)兩塊水平區間作此傳遞信號上升斜率時間之換算，計算公式如下：

上升時間=平均（80%時間位準）-平均（20%時間位準）

由於時間位準20%及80%是與信號位準1 及0 有著相關性的。當然，如果上升時間愈短，即愈能表現出眼圖中間的白色區塊，即代表可傳遞的信號及容忍誤碼比率較好。

（4）Q 因子（Q Factor）

Q 因子是用於測量眼圖信噪比的參數，它的定義是接收機在最佳判決門限下信號功率和雜訊功率的比值，可適用於各種信號格式和速率的數字信號，其計算公式如下：

其中，“1”電平的平均值top P與“0”電平的平均值base P 的差為眼幅度，“1”信號雜訊有效值1s與“0”信號雜訊有效值0 s 之和為信號雜訊有效值。Q 因子綜合反映眼圖的質量問題。Q 因子越高，眼圖的質量就越好，信噪比就越高。Q 因子一般受雜訊、光功率、電信號是否從始端到終端阻抗匹配等因素影響。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，發送側光眼圖的Q 因子不應該小於12，接收測的Q 因子不應該小於6。

（5）平均功率通過眼圖反映的平均功率，即是整個數據流的平均值。與眼圖振幅測量不同，平均功率則是直方圖的平均值。如果數據編碼正常工作，平均功率應為總眼圖振幅的50%。

（6）抖動抖動是在高速數據傳輸線中導致誤碼的定時雜訊。如果系統的數據速率提高，在幾秒內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測量時，它會隨著數據速率成比例提高，進而導致誤碼。因此，在系統中儘可能的減少這種相關抖動，提升系統總體性能。