眼圖的案例
干貨｜PCB設計中眼圖到底有什么用？
眼圖，是由于示波器的余輝作用，將掃描所得的每一個碼元波形重疊在一起，從而形成眼圖。
本文將帶領大家了解PCB上的眼圖是什么，眼圖是怎樣形成的，眼圖中包含有哪些信息，如何根據眼圖情況分辨信號質量。
想看懂示波器眼圖需要掌握以下4點：
一、什么是眼圖？
眼圖是一系列數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，體現了數字信號整體的特征，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度，因而眼圖分析是高速互連系統(tǒng)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(tǒng)的傳輸性能。
用一個示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后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(jié)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征。
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，然后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”。
從“眼圖”上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。
展開 OptiSystem與OptiSPICE的聯(lián)合使用：收發(fā)機電路的眼圖分析
在本例中，OptiSPICE的輸出用于生成如圖6所示的眼圖。在運行OptiSystem仿真之前，重要的是要檢查OptiSystem中的仿真時間是否與OptiSPICE中的仿真時間匹配
圖5.OptiSystem聯(lián)合仿真系統(tǒng)布局
圖6.OptiSPICE 輸出信號生成的眼圖
ANSYS Electromagnetics Suite 18.1高速串行鏈路眼圖及誤碼率分析 ￥7.9
案例給出了高速串行鏈路眼圖及誤碼率分析的仿真流程。通過本例，可迅速掌握眼圖瞬態(tài)仿真的設置方法，同時區(qū)分與快速眼圖分析在設置上的差異。
OptiSystem應用：通過機器學習預測系統(tǒng)性能
OptiSystem軟件已集成機器學習（ML）工具，用戶可通過分析雙電平系統(tǒng)的眼圖來訓練光通信系統(tǒng)。該工具提供多個功能選項卡，支持用戶對OptiSystem項目生成的眼圖模型進行訓練與測試。此外，工具還可導入外部眼圖圖像，并基于該圖像預測系統(tǒng)在生成眼圖時的運行狀態(tài)。工具將根據訓練條件提供系統(tǒng)參數及眼圖分析結果，以便用戶采取相應的系統(tǒng)管理措施。本案例將展示如何在10Gbps NRZ OOK-DD系統(tǒng)中使用機器學習工具。
首先，我們搭建一個如圖1所示的系統(tǒng)布局。
圖1.10Gbps NRZ OOK-DD系統(tǒng)布局
在這個鏈路中，我們將傳輸的光纖長度從50-75km范圍進行線性掃描，得到1000組不同光纖傳輸長度下的眼圖，這些結果將會被用于訓練和測試機器學習模型。
圖2.掃描1000次迭代，得到1000個眼圖
打開機器學習工具，在主參數選項卡上可以定義算法、神經網絡的層數以及每層的類型，設置如圖3所示，圖中1000個眼圖的70%用于訓練，圖片壓縮率為40%。
圖3.機器學習工具主參數選項卡
選擇光纖長度、最小BER和Q因子作為需要預測的數據：
a）選擇光纖長度作為需要預測數據
b）選擇最小BER和Q因子作為需要預測數據
圖4.在機器學習工具中選擇需要預測數據
接著我們需要將1000次眼圖結果提取成圖片放入訓練集文件夾中，然后運行機器學習工具訓練神經網絡。如圖5，我們可以評價神經網絡的性能，查看損失函數。
展開 
OptiSystem應用：通過機器學習預測系統(tǒng)性能
OptiSystem軟件已集成機器學習（ML）工具，用戶可通過分析雙電平系統(tǒng)的眼圖來訓練光通信系統(tǒng)。該工具提供多個功能選項卡，支持用戶對OptiSystem項目生成的眼圖模型進行訓練與測試。此外，工具還可導入外部眼圖圖像，并基于該圖像預測系統(tǒng)在生成眼圖時的運行狀態(tài)。工具將根據訓練條件提供系統(tǒng)參數及眼圖分析結果，以便用戶采取相應的系統(tǒng)管理措施。本案例將展示如何在10Gbps NRZ OOK-DD系統(tǒng)中使用機器學習工具。
首先，我們搭建一個如圖1所示的系統(tǒng)布局。
圖1.10Gbps NRZ OOK-DD系統(tǒng)布局
在這個鏈路中，我們將傳輸的光纖長度從50-75km范圍進行線性掃描，得到1000組不同光纖傳輸長度下的眼圖，這些結果將會被用于訓練和測試機器學習模型。
圖2.掃描1000次迭代，得到1000個眼圖
打開機器學習工具，在主參數選項卡上可以定義算法、神經網絡的層數以及每層的類型，設置如圖3所示，圖中1000個眼圖的70%用于訓練，圖片壓縮率為40%。
圖3.機器學習工具主參數選項卡
選擇光纖長度、最小BER和Q因子作為需要預測的數據：
a）選擇光纖長度作為需要預測數據
b）選擇最小BER和Q因子作為需要預測數據
圖4.在機器學習工具中選擇需要預測數據
接著我們需要將1000次眼圖結果提取成圖片放入訓練集文件夾中，然后運行機器學習工具訓練神經網絡。如圖5，我們可以評價神經網絡的性能，查看損失函數。
展開 Lumerical案例 | 基于熱感知的WDM收發(fā)器光子電路仿真——Icepak集成
運行INTERCONNECT仿真，繪制6個通道的眼圖，并在眼圖分析儀中記錄BER值。
temp_set_up.lsf腳本會生成指定z軸位置的晶圓溫度圖。由于光學元件的高度相對于整個電路板而言較矮，我們假設光學元件在z軸方向上的溫度分布均勻，并腳本中固定一個z值來生成溫度圖。圖中深藍色方框表示光學電路板，以便我們了解光學電路板在晶圓上的位置以及其在該位置的工作溫度。
默認設置下，optical board位于晶圓上0mm處，該位置的工作溫度約為60攝氏度?？紤]到其他布線限制和溫度因素（ring models的調諧功耗極?。?，這是optical board的理想放置位置之一。以下是通道1的眼圖和誤碼率(BER)：
改變optical board在wafer上的位置后Circuit性能的變化（對比結果）：
打開文件WDM_6_channel.icp。返回設計模式，在temp_set_up.lsf中，更新為-0.5mm(-0.5e-3m)。運行INTERCONNECT仿真，繪制6個通道的眼圖，并在眼圖分析儀中記錄BER值?；氐皆O計模式，打開并運行set_tunning_voltages.lsf腳本，為當前溫度下的環(huán)形調制器和諧振器設置理想調諧電壓。重復步驟2并記錄結果。
Circuit中的環(huán)形調制器和諧振器均設計有熱調諧功能。set_tuning_voltages.lsf腳本會根據環(huán)形調制器和諧振器的工作溫度設置其調諧電壓。通過這種熱調諧功能，環(huán)形調制器和諧振器的性能能夠穩(wěn)定地適應溫度變化。
將optical board放置在晶圓原點，工作溫度約為70攝氏度。
展開 Lumerical案例 | 具有分布式電極的行波調制器
以下是系統(tǒng)建模：
TW調制器波導電極模型
在文件TWM_modeling_electrodes.icp中，光學調制器直接由NRZ電信號驅動，然而，光學調制器本身的電極類型設置為“traveling wave”，以下為系統(tǒng)建模：
TW調制器系統(tǒng)模型
系統(tǒng)建模結果
TW調制器波導電極系統(tǒng)
對于TW調制器波導電極系統(tǒng)，當元件TW_1被禁用時，系統(tǒng)的驅動電信號和眼圖如下所示：
驅動信號，行波電極禁用
眼圖，行波電極禁用
啟用行波電極后，波導后的電信號波形會產生濾波效應，因此系統(tǒng)的眼圖會因時序抖動和噪聲效應而惡化。行波電極波導的折射率失配為delta_n=0.1，微波損耗為1080dB/m。行波電極的標準參數設置為：
驅動電信號和啟用了行波電極的系統(tǒng)眼圖如下所示：
使用行波電極的驅動信號（Δn=0.1，微波損耗=1080dB/m）
帶有行波電極的眼圖（Δn=0.1，微波損耗=1080dB/m）
當"微波損耗"設置為0dB/m，且存在0.1的折射率失配時，波導后的波形和系統(tǒng)的眼圖與禁用行波電極時相比，只有輕微的差異。
使用行波電極的驅動信號（Δn=0.1，微波損耗=0dB/m）
帶有行波電極的眼圖（Δn=0.1，微波損耗=0dB/m）
TW調制器建模電極系統(tǒng)
對于TW調制器建模電極系統(tǒng)，其工作原理與行波波導相同。將調制器的電極類型設置為"行波"，并采用以下參數設置，系統(tǒng)生成的波形和眼圖趨勢相同。本例中的折射率失配為delta_n=1，微波損耗為0dB/m。
展開 Ansys Lumerical | 行波 Mach-Zehnder 調制器仿真分析
激光功率和波長的選擇是相對任意的，在這種情況下，我們選擇的值在眼圖中給出可接受的信噪比，眼圖交叉接近50%來運行仿真。選擇眼圖物件并從結果視圖窗口可視化眼圖。從同樣的角度來看，眼圖中的消光比為 4.25 dB。
最后以Interconnect中的電網絡分析器(Electrical Network Analyzer ,ENA)對行波電極進行帶寬分析。在設定30GHz的頻率范圍下，結果如下圖，3db的帶寬約對應15GHz。
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展開 Lumerical 案例| 高效慢光馬赫-曾德爾調制器實現0.21V·cm效率且?guī)挸^110GHz
采用觸發(fā)信號進行時鐘恢復，以生成由電采樣示波器(OSC)(Keysight N1030A)捕獲的接收數據眼圖。采用256Gsa s 實時數字采樣示波器，基于簡單前饋均衡器的線性數字信號處理算法計算誤碼率（BER）。
我們總結了120、150和180Gbps NRZ信號的眼圖，信噪比分別為9.9、10.6和5.5dB，對應的BER分別為9.5×10 、2.3×10 和3.6×10 （圖4b-d）。清晰睜開的眼圖，測得的ER分別為3.3、2.1和1.5dB。
我們分別展示了數據速率為200、220和240Gbps的PAM4信號的眼圖（圖4e-g）。對于240Gbps PAM4信號，每比特耗能估算為44fJ bit 。我們測量了200Gbps PAM4信號的BER，發(fā)現它們可以降至3.8×10?3的硬判決前向糾錯編碼閾值以下（圖4k）。對于220和240Gbps PAM4信號的更高數據速率，BER遠低于4×10?2的軟判決前向糾錯編碼閾值。
圖4數據調制測量。a)用于測量光眼圖的實驗設備。b)120Gbps、c)150Gbps和d)180Gbps數據速率下NRZ信號的眼圖。e)200Gbps、f)220Gbps和g)240Gbps速率下測得的PAM4調制格式眼圖。h)257Gbps下測得的PAM6調制格式眼圖。i)270Gbps和j)300Gbps下測得的PAM8調制格式眼圖。k)PAM4信號在200、220和240Gbps數據速率下誤碼率與接收光功率的測量曲線。l)實驗驗證所提調制器在工作波長范圍內的性能。插圖：100Gbps NRZ信號在不同載波波長下的測量眼圖。
為了進一步提高慢光MZM支持的數據速率，我們采用了高波特率下的更高調制格式。
展開 基于啁啾光纖光柵實現對光纖通信系統(tǒng)的色散補償
基于OptiSystem仿真軟件實現了三種不同結構的基于啁啾光纖光柵色散補償的光纖通信系統(tǒng)，通過眼圖評估系統(tǒng)通信性能。
2、系統(tǒng)設計
仿真系統(tǒng)調制格式采用NRZ碼型，激光頻率為193.1 THz，傳輸鏈路采用單模光纖傳輸鏈路，利用啁啾光纖光柵進行色散色度補償，同時利用EDFA光放大器實現損耗補償。最后信號在接收模塊進行信號解調與分析。模塊中的Loop Control器件控制鏈路傳輸次數，其中，SMF的色散系數為16 ps/nm·km，色散斜率系數為0.08 ps/nm2·km，衰減量為0.2 dB/km，單程中SMF長度為80 km。光纖傳輸系統(tǒng)總共傳輸320 km。
2.1后置色散補償系統(tǒng)
圖示為后置色散補償系統(tǒng)，啁啾光纖光柵置于單模光纖后，對信號傳輸過程中產生的色散進行補償。在未進行色散補償的情況下，即將光路中的啁啾光纖光柵去除，此時接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到眼圖混亂，誤碼率為1。當采用啁啾光纖光柵時，色散量設置為-1280 ps/nm·km，在10Gbit/s傳輸速率的情況下接收端的信號眼圖如圖所示，可以看到誤碼率為6.05e-20，Q因子為9.03，眼圖張開度好，信號質量佳。
2.2前置色散補償系統(tǒng)
圖示為前置色散補償系統(tǒng)，啁啾光纖光柵置于單模光纖前，對信號傳輸過程中產生的色散進行預補償。
2.3混合色散補償系統(tǒng)
圖示為混合色散補償系統(tǒng)，兩個啁啾光纖光柵分別置于單模光纖前部和后部，對信號分別進行預補償和產生色散后的補償。該方案結合了后置色散補償方式和前置色散補償方式的特點。
3、結果分析
為了探究不同入射光功率對應的系統(tǒng)性能，設置仿真系統(tǒng)光功率在-10~10 dBm范圍內掃描。
展開 基于OptiSystem的高速遠距離光纖通信系統(tǒng)研究
4、結果分析
光纖傳輸鏈路中Loop Control設置為3，即信號經過300km的光纖傳輸之后，由信號接收端進行接收，眼圖分析儀中展現了信號的眼圖，誤碼率為7.54e-58，Q值為15.96，表明該系統(tǒng)具有較好的傳輸特性。
為了研究不同傳輸距離下系統(tǒng)信號傳輸的誤碼率，設置Loop Control為0~10，即信號經過0~600km的光纖傳輸，得到了圖中所示的誤碼率變化圖。經過小于60km的光纖中傳輸后，光信號的誤碼率接近于0。而隨著光纖傳輸距離的增加，誤碼率逐漸上升，在600km傳輸后，信號的誤碼率為2.27e-15。
為了研究不同波長信號光傳輸的誤碼率，設置激光器的波長為1540~1560nm，在傳輸300km后，得到了圖中所示的誤碼率變化圖。經過300km的傳輸距離后，1550nm波長的激光光信號具有最低的誤碼率。而隨著波長的增大或減小，誤碼率逐漸上升。說明1550nm波長的激光光信號具有最好的傳輸能力。
隨后進行外調制與直接調制的對比。設定40Gbit/s的傳輸速率，在同樣傳輸300km的距離后，得到了外調制的眼圖如下圖，誤碼率為7.54e-58。
直接調制的眼圖如下圖，誤碼率為1.04e-45。通過對比兩種調制方式，得到在較高速率情況下，外調制比直接調制有更好的信號傳輸表現。
進行PIN和APD探測的對比。其中APD設置如下圖，響應度設定為1A/W，增益為3dB。
設定40Gbit/s的傳輸速率，在同樣傳輸300km的距離后，得到了PIN探測器系統(tǒng)中的眼圖如下圖，誤碼率為7.54e-58。
APD探測器系統(tǒng)中的眼圖如下圖，誤碼率為8.05e-46。表明在該系統(tǒng)中PIN探測器比APD探測器具有更佳的探測性能。
展開 
基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析
采用示波器觀察193.1THz傳輸通道的眼圖和誤碼特性，采用誤碼儀觀察誤碼情況，可以看到信號脈沖序列較為規(guī)整，眼圖張開度大，誤碼率為3.14e-79，表明該WDM系統(tǒng)具有較好的信號傳輸質量。
3、總結展望：
本案例設計了仿真LD、LED直接調制系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)輸出性能；仿真了EDFA的光纖通信系統(tǒng)，實現了200km、40Gbit/s的傳輸，搭建了一個7通道的WDM光纖通信系統(tǒng)，該案例具有靈活的可拓展性，可以根據客戶需求進行功能的豐富與系統(tǒng)結構的優(yōu)化。
最后,歡迎關注"320科技工作室"公眾號
[Optiwave] OptiSystem應用：考慮大氣湍流的PAM4 FSO系統(tǒng)
圖4.大氣湍流相位
對于不考慮大氣湍流相位以及閃爍影響，圖5顯示了理想傳輸過程的眼圖。圖6為考慮大氣湍流以及閃爍影響眼圖。
圖5.未考慮閃爍以及大氣湍流的眼圖
圖6.考慮閃爍以及大氣湍流的眼圖
光收發(fā)器信號完整性分析（包含封裝效應）-AEDT-INTERCONNECT互操作性
眼圖分析儀會創(chuàng)建光電探測器產生的電信號眼圖。
注意：此步驟中的腳本和仿真文件假定它們與上一步中的RM_Voltage.csv文件一樣放置在工作目錄中。您可以使用工具欄中的File>Change working directory來設置當前工作目錄?！癝ignal Voltage”的filename屬性必須指向process_voltage_data.lsf腳本創(chuàng)建的RM_Voltage_processed.txt文件，該文件由腳本放置在當前工作目錄中。
步驟3：接收器電路
返回Ansys Electronics Desktop中的Optical_transceiver.aedt項目。雙擊項目管理器中的“Receiver”電路，打開接收器電路原理圖。右鍵單擊項目管理器中的“Receiver”電路，然后選擇Analyze以運行仿真。
I_PD分段線性電流源將從上一步INTERCONNECT仿真中保存的PIN_output.txt文本文件中導入光電探測器電流。VL電壓表將記錄負載電阻兩端的電壓。該電壓的眼圖將自動繪制在原理圖上。
注意：接收器電路中I_PD元件的PWLFILE屬性必須指向上一步中由INTERCONNECT創(chuàng)建的PIN_output.txt文件。默認情況下，它設置為指向與AEDT項目文件相同的位置。
重要模型設置
數據交換的文件路徑
在此工作流程中，AEDT和INTERCONNECT之間通過文本文件交換電信號。如果文件不在預期位置，工作流程將無法運行。上文“Run and Results”部分中描述的步驟假設此工作流程的所有文件都位于同一文件位置。
展開 OptiSystem應用：數字調制-DPSK
繪制多進制信號眼圖
OptiSystem可以繪制和估計級兩（二進制）信號的光學系統(tǒng)的BER。當使用多進制信號時，您無法直接估計BER值，但您仍然可以繪制眼圖。
圖15. PRBS生成器來生成多進制眼圖的參數
圖16. DPSK系統(tǒng)，包括生成眼圖的組件
在這個例子中，我們添加了眼圖工具來繪制正交調制器輸出上的多進制同相信號。
主要參數是PRBS的比特率。它應該是二進制比特率除以每個碼元的比特數，例如，M位比特率。這與閾值檢測器中使用的值相同。
圖17. 8DPSK系統(tǒng)在接收器上的眼圖
