1、 眼圖的形成

眼圖是一系列數(shù)字信號(hào)在示波器上累計(jì)而顯示的圖像，其形狀類(lèi)似于人的眼睛，故稱(chēng)“眼圖”。

在用示波器觀察傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，使用被測(cè)系統(tǒng)的定時(shí)信號(hào)，通過(guò)示波器外觸發(fā)或外同步對(duì)示波器的掃描進(jìn)行控制，由于掃描周期此時(shí)恰為被測(cè)信號(hào)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(gè)由多個(gè)隨機(jī)符號(hào)波形共同形成的穩(wěn)定圖形。這種圖形看起來(lái)象眼睛，稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)的眼圖。一個(gè)完整的眼圖應(yīng)該包含“000”到“111”的所有狀態(tài)組，8種狀態(tài)形成眼圖的過(guò)程如下圖所示：

示波器一般測(cè)量的信號(hào)是一些位或某一時(shí)間段的波形，更多的反映的是細(xì)節(jié)信息，而眼圖是一系列數(shù)字信號(hào)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?dāng)_和噪聲的影響，體現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)整體的特征，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度，為整個(gè)系統(tǒng)性能的改善提供依據(jù)。

2、 眼圖的結(jié)構(gòu)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(gè)參數(shù)如下圖所示：

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

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

“眼高”即是眼圖在垂直軸所開(kāi)的大小，它是信噪比測(cè)量，與眼圖振幅非常相似。

下面詳細(xì)介紹如消光比等一些復(fù)雜的概念，以幫忙理解眼圖的性能。

（1）     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(lèi)型，消光比要求不一樣。一般的對(duì)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(duì)于消光比沒(méi)有規(guī)定一個(gè)最大值，但是這并不意味著消光比可以無(wú)限大，消光比太高了，將導(dǎo)致激光器的啁啾系數(shù)太大，導(dǎo)致通道代價(jià)超標(biāo)，不利于長(zhǎng)距離傳輸。一般建議實(shí)際消光比與最低要求消光比大 0.5~1.5dB。這不是一個(gè)絕對(duì)的數(shù)值，之所以給出這么一個(gè)數(shù)值是害怕消光比太高了，傳輸以后信號(hào)劣化太厲害，導(dǎo)致誤碼產(chǎn)生或通道代價(jià)超標(biāo)。

（2）     眼交叉比

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

（3）     Q因子

Q 因子可以通過(guò)示波器測(cè)得，它綜合反映出眼圖的質(zhì)量問(wèn)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(hào)是否從始端到終端阻抗匹配（有關(guān)阻抗匹配，后文會(huì)詳細(xì)說(shuō)明）等因素影響。一般來(lái)說(shuō)，眼圖中“1”電平的這條線越細(xì)、越平滑，Q 因子越高。在不加光衰減的情況下，發(fā)送側(cè)光眼圖的 Q 因子不應(yīng)該小于 12 ，越高越好。接收測(cè)的 Q 因子不應(yīng)該小于 6 ，越高越好。

（4）     信號(hào)的上升時(shí)間、下降時(shí)間

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

（5）     抖動(dòng)

抖動(dòng)是在高速數(shù)據(jù)傳輸線中導(dǎo)致誤碼的定時(shí)噪聲。如果系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率提高，在幾秒內(nèi)測(cè)得的抖動(dòng)幅度會(huì)大體不變，但在位周期的幾分之一時(shí)間內(nèi)測(cè)量時(shí)，它會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率成比例提高，進(jìn)而導(dǎo)致誤碼。因此，在系統(tǒng)中盡可能的減少這種相關(guān)抖動(dòng)，提升系統(tǒng)總體性能。分析抖動(dòng)以及其具體產(chǎn)生原因?qū)⒂兄谠谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的減少抖動(dòng)產(chǎn)生的影響，同時(shí)可以確定抖動(dòng)對(duì)BER的影響，并保證系統(tǒng)BER低于某個(gè)最大值。因此，抖動(dòng)的形成原因直觀的表示如下圖：

（6）     信噪比

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

3、 眼圖與系統(tǒng)性能

經(jīng)過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)可以從眼圖中得出整體系統(tǒng)的性能情況，這里我們結(jié)合眼圖框架給出下面的結(jié)論。

圖：眼圖的結(jié)構(gòu)圖

（1）最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)是“眼睛”張開(kāi)最大的時(shí)刻；

（2）眼圖斜邊的斜率決定了系統(tǒng)對(duì)抽樣定時(shí)誤差的靈敏程度；斜率越大，對(duì)定 時(shí)誤差越靈敏；

（3）眼圖的陰影區(qū)的垂直高度表示信號(hào)的畸變范圍；

（4）眼圖中央的橫軸位置對(duì)應(yīng)于判決門(mén)限電平；

（5）過(guò)零點(diǎn)失真為壓在橫軸上的陰影長(zhǎng)度，有些接收機(jī)的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)是由經(jīng)過(guò)判 決門(mén)限點(diǎn)的平均位置決定的，所以過(guò)零點(diǎn)失真越大，對(duì)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的提取越不利。

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

4、 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(gè)比特的數(shù)據(jù)，由于多種因素的影響，接收端可能會(huì)接收到一些錯(cuò)誤的比特（即誤碼）。錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)與總的比特?cái)?shù)之比稱(chēng)為誤碼率，即Bit Error Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)，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(dòng)、噪聲、信道的損耗、信號(hào)的比特率等。

在誤碼率（BER）的測(cè)試中，碼型發(fā)生器會(huì)生成數(shù)十億個(gè)數(shù)據(jù)比特，并將這些數(shù)據(jù)比特發(fā)送給輸入設(shè)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(jìn)行對(duì)比，確定哪些碼接收錯(cuò)誤，隨后會(huì)給出一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)計(jì)算得到的BER。考慮誤碼率測(cè)試的需要，我們以下面的實(shí)際測(cè)試眼圖為參考，以生成BER圖，參考眼圖如下所示：

BER圖是樣點(diǎn)時(shí)間位置BER(t)的函數(shù)，稱(chēng)為BERT掃描圖或浴缸曲線。簡(jiǎn)而言之，它是在相對(duì)于參考時(shí)鐘給定的額定取樣時(shí)間的不同時(shí)間t上測(cè)得的BER。參考時(shí)鐘可以是信號(hào)發(fā)射機(jī)時(shí)鐘，也可以是從接收的信號(hào)中恢復(fù)的時(shí)鐘，具體取決于測(cè)試的系統(tǒng)。以上述的眼圖為參考，眼睛張開(kāi)度與誤碼率的關(guān)系以及其BER圖如下：

圖 眼睛張開(kāi)度與誤碼率的關(guān)系

圖 BER(T)掃描或浴缸曲線

上述兩圖中，BER圖與眼圖時(shí)間軸相同，兩側(cè)與眼圖邊沿相對(duì)應(yīng)，樣點(diǎn)位于中心。BER一定時(shí)，曲線之間的距離是該BER上的眼圖張開(kāi)程度。在樣點(diǎn)接近交點(diǎn)時(shí)，抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致BER提高到最大0.5。

5、 常見(jiàn)眼圖分析

接下來(lái)我們來(lái)看一些典型的較好的眼圖和一些有問(wèn)題的眼圖，并分析這些眼圖的問(wèn)題在哪里。

以下是一個(gè)較好的 622M 的光眼圖，我們可以看出比較對(duì)稱(chēng)，眼線很細(xì)，消光 比適中，Q 因子很高，達(dá)到了 24。

以下為不加 STM-4 濾波器的 622 的眼圖，可以看出眼圖的眼線較細(xì)，特別是 上升、下降沿，“1”電平有點(diǎn)波動(dòng)，這是因?yàn)椴患拥屯V波器以后，信號(hào)的諧波沒(méi)有被濾掉，各諧波分量疊加起來(lái)成為有波紋的方波。我們看到即使“1”電平不平坦，其 Q 因子仍然達(dá)到 21.7。

以下為一個(gè)較好的 2.5G 的，眼圖比較對(duì)稱(chēng)，眼線比較細(xì)，“0”、“1”電平都 比較平滑，消光比適中，Q 因子較高。

以下為較好的 10G 眼圖，眼圖對(duì)稱(chēng)，眼圖比較細(xì)，特別是“0”、“1”電平； 上升、下降沿稍粗一點(diǎn)，可見(jiàn)信號(hào)的抖動(dòng)較大；消光比適中，Q 因子較高。交叉 點(diǎn)稍微高，實(shí)際調(diào)試中，可以將交叉點(diǎn)調(diào)低一點(diǎn)點(diǎn)。

總的來(lái)說(shuō)，速率越高，眼圖質(zhì)量將越差。這主要由兩個(gè)方面引起：第一是抖動(dòng)，速率越高，抖動(dòng)越難控制；第二是噪聲，由于測(cè)試過(guò)程一般都要加相應(yīng)的低 通濾波器，10G 信號(hào)的低通濾波器的帶寬大約為 8GHz，622M 信號(hào)的低通濾波器的 帶寬大約為 500MHz，從500MHz~8GHz 這個(gè)頻率范圍的噪聲，被 622M 信號(hào)的濾波 器濾掉了，卻沒(méi)有被 10G 信號(hào)的濾波器濾掉，所以從眼圖看了，10G 信號(hào)的噪聲 更大一下。

有問(wèn)題的眼圖分析

以下為一個(gè)有問(wèn)題的 622M 眼圖，這個(gè)眼圖問(wèn)題比較多，我們來(lái)一一分析： 首先，眼圖有非常明顯的兩個(gè)上升、下降沿（俗稱(chēng)雙眼皮）；“0” 電平“1”

電平不平坦，信號(hào)有過(guò)沖，下沖；消光比偏低只有 4.1dB ；產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因 懷疑是信號(hào)的阻抗不匹配，導(dǎo)致信號(hào)的過(guò)沖、下沖和多徑。這個(gè)眼圖還說(shuō)明了另 一個(gè)問(wèn)題，眼圖要能夠套住模板只是眼圖的最基本的要求，而不是唯一的要求。 我們看一下，這個(gè)眼圖的邊的離模板還是有一定的余量的。

我們?cè)賮?lái)看看以下 622M 眼圖，其問(wèn)題在于噪聲非常大，估計(jì)是信號(hào)的濾波沒(méi)有處理好。

以下為 2.5G 眼圖，總的質(zhì)量還不錯(cuò)，存在的問(wèn)題是眼圖有點(diǎn)歪，不對(duì)稱(chēng)，這個(gè)跟激光器的調(diào)制特性有一定的關(guān)系。

以下 2.5G 眼圖，存在的問(wèn)題是抖動(dòng)較大，注意與上一個(gè)眼圖比較，其上升、 下降沿都較粗，特別注意比較其峰峰值抖動(dòng)、均方根抖動(dòng)、下圖都比上圖的大。

以下 2.5G 的眼圖就比較糟糕，眼圖扭來(lái)扭去的，上升、下降都很緩，信號(hào)質(zhì) 量不好，Q 因子只有 6.4。消光比也很低，只有 6.6dB。其原因可能是驅(qū)動(dòng)器、激 光器本身問(wèn)題、或者阻抗非常不匹配。

以下一個(gè)為 2.5G 眼圖，可以明顯看出眼圖的上升沿有振鈴，可能兩個(gè)原因引 起的：第一是信號(hào)線上面阻抗不匹配；第二是直調(diào)激光器的張馳振蕩引起的振鈴。

以下為 10G 眼圖，眼圖存在兩個(gè)問(wèn)題，第一消光比太低，只有 10dB。眼圖“1”電平很粗、不平坦。可能的原因是：信號(hào)不匹配引起的。

以下 10G 眼圖沒(méi)有其測(cè)量數(shù)據(jù)，但是從眼圖的上升、下降沿比較粗可以看出 來(lái)，其信號(hào)的抖動(dòng)比較大。

以下為 10G 眼圖，這個(gè)眼圖的問(wèn)題是噪聲比較大，這從哪里看出來(lái)呢？ 請(qǐng)注 意，眼圖的上升、下降、“1”電平都比較粗，整個(gè)眼圖散點(diǎn)比較多，很不干凈。

以上三個(gè)眼圖我們分析了導(dǎo)致眼圖不好的三種情況：阻抗不匹配、抖動(dòng)、噪聲。這三種情況如何從眼圖看出來(lái)呢？如果眼圖的“1”電平線比較粗、不平坦（上面），那么就是阻抗不匹配引起的。解決問(wèn)題要從保證從始端到終端阻抗匹配。如果眼圖的上升、下降沿比較粗（中間），那么就是抖動(dòng)引起的，解決問(wèn)題要從減小信號(hào)抖動(dòng)，如：提高輸入時(shí)鐘質(zhì)量，合理設(shè)計(jì)鎖相環(huán)，特別是低通濾波器部分著手。如果眼圖的都比較粗（全部），那么就是噪聲引起的，一般來(lái)說(shuō)是電源噪聲、地回路不通暢或者信號(hào)周?chē)写蟮母蓴_源引起的，解決問(wèn)題也是要從這幾方面著手。

對(duì)于眼圖，不能以一把尺子來(lái)衡量，速率越高，眼圖質(zhì)量越難保證；目標(biāo)傳輸距離越遠(yuǎn)，要求的眼圖質(zhì)量也好；同時(shí)有數(shù)據(jù)、時(shí)鐘輸入的光模塊比只有數(shù)據(jù)輸入的光模塊的眼圖質(zhì)量會(huì)更好一些，特別在抖動(dòng)方面。