【干貨】高速信號眼圖與接收靈敏度的關(guān)系（相噪篇）

硬件電子工程師

本文通過具體實(shí)例詳述眼圖如何評估高速信號系統(tǒng)性能，以常見的光模塊為例詳細(xì)的總結(jié)了眼圖一些常見的參數(shù)和光模塊靈敏度之間的關(guān)系。上節(jié)我們以眼圖作為分析工具，詳細(xì)分析了幅度噪聲和靈敏度的關(guān)系，本節(jié)我們將結(jié)合相位噪聲，分析下相位噪聲對靈敏度的影響。
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1、眼圖與靈敏度（相位篇）上節(jié)我們講過，從PIN管的輸出電眼圖形狀近似升余弦脈沖，濾波后去掉了噪聲，帶寬有限且波形比較完整對稱，有利于判決和提取時(shí)鐘，因?yàn)橐话銇碚f在判決時(shí)刻脈沖的幅度最大。
  p6 A# ]: M. A( r& Y/ [因此CDR的恢復(fù)的時(shí)鐘信號正常情況下和眼圖的中心線是重合的，在10G速率下，中心近似和0碼的交叉點(diǎn)有50ps的時(shí)基距離。一般情況下，最佳的采樣時(shí)機(jī)并不在眼圖的中心，而是一些其他的點(diǎn)。一般DEMUX芯片里有相位設(shè)置的調(diào)節(jié)。判決門限調(diào)整電路用來在電壓域內(nèi)選擇最優(yōu)點(diǎn)，而相位調(diào)整電路就在時(shí)域內(nèi)選擇最佳采樣點(diǎn)的。

圖1 利用眼圖說明相位調(diào)整對靈敏度的優(yōu)化作用
$ Y! k4 N* G$ D' ~. Q- Z- |, H1 M如圖1，無論是靈敏度還是OSNR，最佳采樣點(diǎn)必定具有最大的噪聲容限。而相位調(diào)節(jié)對其接收端性能優(yōu)化的原理還是關(guān)系到特定時(shí)間點(diǎn)上幅度噪聲大小，幅度噪聲小則噪聲容限大。以上實(shí)驗(yàn)截圖只說明相位調(diào)節(jié)的原理，實(shí)際上根據(jù)上節(jié)幅度的分析，弱光功率下的眼圖基本具有對稱性，所以對比OSNR的優(yōu)化，相位調(diào)節(jié)對靈敏度的優(yōu)化能力還是很明顯。這個(gè)分析結(jié)果已經(jīng)早已被我們的模塊日常調(diào)試實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。
眼圖的“眼高”參數(shù)對應(yīng)的是幅度噪聲的容限，眼寬參數(shù)對應(yīng)的是相位噪聲的容限。
發(fā)送端信號的預(yù)加重可以減小信號的響應(yīng)時(shí)間，補(bǔ)償上升邊沿的高頻分量，使得眼圖趨于升余弦對稱，能使最佳判決點(diǎn)趨于眼中并提供較高的噪聲容限。
0 i6 m7 N  T1 b9 {! W# R& o: |DEMUX芯片的相位設(shè)置選項(xiàng)如圖2：

圖2 某驅(qū)動芯片的接收端相位偏置設(shè)置
4 U+ X& D4 y& M在最佳判決時(shí)間，噪聲容限最大，靈敏度最小，示意圖具體推導(dǎo)可參考總結(jié)的公式，無論理論計(jì)算中脈沖的波形是否選用高斯脈沖，只要內(nèi)層函數(shù)的增減性不變，得到的曲線形狀都基本一樣。
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圖3 相位調(diào)整偏置和靈敏度的關(guān)系
6 k% e/ @+ o& \; h; P曾嘗試結(jié)合抖動和總結(jié)式推導(dǎo)誤碼率的浴盆曲線，未果，但是采樣點(diǎn)的時(shí)間偏置和誤碼率兩者的聯(lián)系關(guān)系是肯定的。

圖4 采樣時(shí)間的BER掃描圖
2、總結(jié)如下是結(jié)合上一篇眼圖幅值和本篇眼圖相位噪聲對靈敏度的影響關(guān)系：
總結(jié)：如圖3，設(shè)滿足誤碼率為10-12時(shí)刻光模塊接收功率為P（靈敏度），相位判決t時(shí)刻的噪聲總幅度為VN(t)，限幅放大器的靈敏度為Vsensitivity，入光P對應(yīng)的光電幅度為Vpp。PIN管響應(yīng)度為R,跨阻為Rt，則判決失敗率為10^-12時(shí)，近似有


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而由光電轉(zhuǎn)換Vpp=P*R*Rt，可得光模塊的靈敏度關(guān)系式：

以某光模塊的接收系統(tǒng)為例，
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應(yīng)用此公式可進(jìn)行一些理論分析和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，比如如果要求光模塊的靈敏度低于－17dBm，那么由此公式可計(jì)算出總噪聲幅度不能超過12.6mV。（請注意由于PIN管的模擬信號限幅，該公式只適用與Sensitivity小于-5.5dBm的推導(dǎo)）。