PISI：眼圖1：眼圖相關基本概念

0 英文縮寫

TIE（Time Interval Error）時間間隔誤差，
UI（Unit Interval）單位間隔
PDF（Probability Density Function）概率密度函數
BER（Bit Error Rate）誤碼率
TJ（Time Jitter）時間抖動
- RJ（Random Jitter）隨機抖動
- DJ（Deterministic Jitter）確定性抖動
- PJ（Periodic Jitter）周期性抖動
- DDJ（Data-Dependent Jitter）數據相關抖動
- BUJ（Bounded Uncorrelated Jitter）有界不相關抖動
ISI（Intersymbol Interference）碼間干擾

1 眼圖定義與意義

1.1 眼圖定義

眼圖（Eye Diagram）是在示波器上用余輝的方式，將采集到的一系列串行信號的多個單位間隔（UI）的波形疊加形成的圖形疊加顯示，該疊加后的圖形形狀看起來和眼睛很像，故名眼圖，用于直觀評估信號完整性。

眼圖包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，體現了數字信號整體的特征，從而估計系統優劣程度。

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。

眼圖的眼高代表噪聲
眼寬代表抖動

1.2 眼圖意義

眼圖的意義：眼圖是一系列數字信號在示波器上累積而顯示的圖形，因而眼圖分析是高速互連系統信號完整性分析的核心。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾，改善系統的傳輸性能。眼圖的分析：數字系統信號完整性分析的關鍵之一。

3 眼圖怎么看

3.1 眼圖眼高的含義

上圖是一個典型的眼圖測試各指標的示意圖。其中眼圖眼高定義如下（眼高最終結果與波形噪聲標準偏差有直接關系）：
$(Avg_{P_{Top}}-3*\sigma_{P_{Top}})- (Avg_{P_{Base}}+3*\sigma_{P_{Base}})$

$Avg_{P_{Top}}$ 眼圖波形頂部的均值
$\sigma_{P_{Top}}$ 眼圖波形頂部的噪聲標準偏差或均方根值
$Avg_{P_{Base}}$ 眼圖波形底部的均值
$\sigma_{P_{Base}}$ 眼圖波形底部的噪聲標準偏差或均方根值

3.2 眼圖波形的含義

3.2.1 波形疊加

眼圖實際上就是數字信號的一系列不同二進制碼按一定的規律在示波器屏幕上累積后的顯示，簡單地說，由于示波器具有余輝功能，只要將捕獲的所有波形按每三個比特分別地疊加累積，從而就形成了眼圖。

眼圖是查看抖動的最常用方式之一，可能的 8 種比特跳變組合及其層疊形成的眼圖

3.2.2 眼圖中心與眼圖邊緣

眼圖核心區域分為眼圖中心和眼圖邊緣，兩者在信號分析中具有不同的物理意義和工程價值。

3.2.2.1 眼圖中心

定義： 眼圖中心指信號波形的水平中心（時間軸中點）和垂直中心（電壓軸中點）附近的區域，即眼圖的“瞳孔”部分（最開闊區域）
特性：
- 時間維度：對應最佳采樣時刻（通常為數據位的中間位置）
- 電壓維度：對應穩定電平區域（邏輯“1”和“0”的穩態電壓）
- 信號行為：
  - 信號在此區域停留時間最長，電平變化最小
  - 受噪聲和抖動影響最小，波形重疊最密集（顏色最深）
工程意義：
- 采樣窗口：眼圖中心的水平寬度決定了有效采樣時間容限。
- 噪聲容限：垂直開口高度反映了電壓噪聲容限，直接影響誤碼率（BER）。

3.2.2.2 眼圖邊緣

定義： 眼圖邊緣指信號跳變沿（上升沿/下降沿）在時間軸上展開的區域，即眼圖的“眼皮”且靠近左右兩側的閉合區域
特性：
- 時間維度：對應信號跳變的過渡時間（如10%~90%上升時間）
- 電壓維度：電平處于非穩態（介于邏輯“1”和“0”之間）
- 信號行為：
  - 信號在此區域快速變化，受抖動和噪聲影響顯著
  - 波形分散度高，顏色較淺（出現頻次低）
工程意義：
- 抖動分析：邊緣的擴散程度反映時間抖動（TJ），尤其是確定性抖動（DJ）。
- 信號完整性：邊緣的斜率與振蕩（Ringing）可揭示信道損耗、反射或串擾問題。

3.2.2.3 核心區別對比

維度	眼圖中心	眼圖邊緣
時間位置	單位間隔（UI）的中點	靠近UI邊界（跳變沿附近）
電壓狀態	穩定邏輯電平（高/低）	過渡狀態（非穩態）
信號質量	反映穩態噪聲容限與采樣窗口	反映跳變速度、抖動及信道失真
顏色密度	高頻次區域（暖色，如紅色）	低頻次區域（冷色，如藍色）
優化重點	增大開口以提升采樣可靠性	減少擴散以降低誤碼風險

3.2.2.4 實際應用示例

高速SerDes設計
- 中心關注點：確保中心開口高度 > 接收機靈敏度閾值，垂直噪聲容限足夠。
- 邊緣關注點：抑制邊緣的碼間干擾（ISI）和周期性抖動（PJ），避免邊沿交叉點閉合。
故障診斷
- 中心閉合：可能因阻抗失配（反射）或共模噪聲引起穩態電平偏移。
- 邊緣擴散：常見于信道損耗（高頻衰減）或電源噪聲導致的邊沿退化。

3.2.2.5 總結

眼圖中心：穩態區域，決定采樣窗口和噪聲容限，是信號質量的“安全區”。
眼圖邊緣：瞬態區域，揭示抖動和信道損傷，是信號完整性的“風險區”。
設計目標：最大化中心開口，最小化邊緣擴散，以實現高可靠性的數據傳輸。

提示：通過眼圖分析工具（如示波器中的眼圖模板測試），可快速定位中心與邊緣的異常，指導PCB布局、均衡器調整或電源優化。

3.3 眼圖顏色的含義

眼圖使用顏色分級來顯示信號通過圖中不同區域的頻次高低（注意3.2中的顏色只是為了區分8中波形以及相應不是這里所說的顏色分級與頻次），“頻次高低”指的是信號在特定時間和電壓位置出現的概率密度，通過顏色分級直觀顯示。具體解釋如下：

暖色（如紅、黃）：表示信號在該區域出現的頻率高，即多次采樣的數據中，信號在此時刻和電壓值附近出現的次數多，集中度高
冷色（如藍、綠）：表示頻率低，信號較少出現在此區域

時間間隔誤差：是實際信號邊沿與理想時鐘邊沿之間的時間差。顏色分級所代表的頻次高低，提供了另一種查看時間間隔誤差（TIE）頻次的方法。理想情況下，信號的跳變邊沿（如上升沿和下降沿）應在固定的時間點發生，并且電壓值穩定在邏輯高或低電平。在多次采樣疊加后，眼圖頻次與TIE關系如下：

時間間隔誤差：表示時鐘的每個有效沿相對于理想位置的變化
TIE小：信號在中心區域集中，說明大部分邊沿接近理想位置，形成顏色更暖的區域，時間偏差小，被有效控制
TIE大：信號從高到低或低到高跳變的過渡區（即眼圖的邊緣或交叉區域），信號出現的次數較少較為分散，顏色較冷，這些區域的低頻次代表信號偏離了理想時間和電壓范圍。可能是由于噪聲、時鐘不穩定或信道損耗導致。

3.4 眼圖抖動的含義

抖動（Jitter）是信號在時間上的波動。低抖動意味著信號邊沿的時間一致性高，穩定性強，從而確保采樣時刻的準確性，降低誤碼率。

從抖動對信號分布的影響來看：

抖動即為信號在時間上的不穩定性
低抖動：信號集中在中心，信號邊沿位置變化小，眼圖邊緣出現次數少，時間一致性高，反應為高頻次
高抖動：信號邊沿在時間軸上分布更廣，信號邊沿位置變化大，眼圖邊緣出現次數增加，而中心區域減少，時間上不穩定性增加，反應為低頻次

下圖中顯示了這樣的一個例子。直方圖中的著色區說明這個眼圖有明顯的計時誤差，圖中還表現出誤差發生的大致頻次。實時眼圖軟件可以在儀器上自動生成這個眼圖，可以很容易地看到隨機抖動（RJ）和確定性抖動（DJ）對您的器件有何影響。

3.3.1 隨機抖動（RJ）

隨機抖動一般可以理解為“發生抖動”。隨機抖動終究是不可避免的，但可以對它進行表征。隨機抖動呈現高斯分布（無界），它由三個原因共同造成。

熱噪聲會引起 RJ，可以描述為 $噪聲 = k TB$ ，其中 $k$ 是玻爾茲曼常數， $T$ 是開爾文溫度， $B$ 是系統帶寬
散粒噪聲（或泊松噪聲）會引起 RJ。散粒噪聲是由電子和空穴的量化造成的固有噪聲，并且受到偏置電流的影響
“粉紅”噪聲會引起 RJ，它與頻率成反比（1/f）。所有系統將具有某種程度的隨機抖動

3.3.2 確定性抖動（DJ）

確定性抖動是非隨機的、有界的抖動，它由設計中的次序出現引起。此外，確定性抖動可以分成多個子分量，如：

周期性抖動（PJ）
數據相關抖動（DDJ）
有界不相關抖動（BUJ）

3.4第一張圖所示為一個具有確定性抖動的系統實例。與隨機抖動不同的是，確定性抖動的概率密度函數（PDF）通常有一個以上的峰。下圖也是一個確定性抖動

3.5 綜合角度（眼高、頻次、相對眼的位置、抖動）看眼圖

信號質量高：
- 眼圖張開度大，眼高較高
- 高頻次區域集中，信號高頻次區域集中在理想采樣點附近，即眼圖中心，顏色偏暖色（如紅、黃）
- 信號邊沿變化小，邊緣干凈，時間一致性高，時間偏差（TIE）小 → 抖動低
- 信號在時間和電壓上都較為穩定，適合正確采樣，穩定性高
信號質量低：
- 眼圖張開度小，眼高較低
- 信號高頻次區域不明顯、分散至邊緣、顏色分布廣泛；在眼圖邊緣或交叉點呈現低頻次，顏色分布廣泛，總體偏冷色（如藍、綠）
- 信號邊沿變化大，邊緣離散度高，時間一致性差，時間偏差（TIE）大 → 抖動高，采樣窗口縮小，誤碼風險增加，穩定性差（穩定性差可能由電源噪聲、串擾或阻抗不匹配引起。）
- 信號穩定性差，容易受到噪聲或干擾影響，導致采樣錯誤。
總結：頻次高低通過顏色深淺反映信號在特定位置的統計分布，幫助工程師快速評估時間間隔誤差（TIE）的分布特性及整體信號質量。