眼圖分析的案例
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仿真的設置方法，同時區分與快速眼圖分析在設置上的差異。
OptiSystem與OptiSPICE的聯合使用：收發機電路的眼圖分析
OptiSystem可視化庫中的各種組件，如頻譜分析儀、示波器可視化器、光譜分析儀等，都可以用來分析OptiSPICE生成的數據。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聯合仿真系統布局
圖6.OptiSPICE 輸出信號生成的眼圖
Lumerical案例 | 基于熱感知的WDM收發器光子電路仿真——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。考慮到其他布線限制和溫度因素（ring models的調諧功耗極小），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。回到設計模式，打開并運行set_tunning_voltages.lsf腳本，為當前溫度下的環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，環形調制器和諧振器的性能能夠穩定地適應溫度變化。
將optical board放置在晶圓原點，工作溫度約為70攝氏度。
展開 OptiSystem應用：真實圖像在光纖中傳輸后的恢復
本案例的目的是仿真圖像經過圖像處理轉化成二進制信號之后，在光纖系統中進行傳輸，最后經過圖像恢復得到傳輸后的圖像，并觀察眼圖來評估傳輸質量。
一、黑白圖像傳輸
首先，我們搭建一個如圖1所示的系統布局。
圖1.黑白圖像傳輸系統布局
在這個鏈路中，我們將圖片導入到黑白圖像數字化組件（Black and White Image Digitizer），該組件將圖片轉化成二進制信號，生成的信號會調制載波經過50km的光纖系統進行傳輸，光電轉化并濾波之后，我們用數據恢復器件（Data Recovery）來恢復二進制信號，再用圖像重構組件（Image Reconstructor）接收二進制信號實現對傳輸之后圖像的恢復。
對于黑白圖像數字化組件和圖像重構組件，設置如圖2所示：
（a）黑白圖像數字化組件設置
（b）圖像重構組件設置
圖2.黑白圖像數字化組件和圖像重構組件設置
運行程序，得到經光纖系統傳輸之后恢復后的圖像，與原圖像對比如圖3：
（a）原始圖像
（b）傳輸后恢復圖像
圖3.黑白圖片原始圖像與傳輸后恢復圖像對比
由于傳輸過程中存在損耗與色散，圖片恢復后產生部分失真。為了更直觀評估系統傳輸性能，我們可以進行眼圖分析，眼圖如圖4：
圖4.黑白圖片傳輸系統眼圖
二、彩色圖像傳輸
對于彩色圖片傳輸系統，我們搭建圖5所示光路。
圖5 彩色圖像傳輸系統布局
與黑白圖像傳輸布局類似，對于彩色圖像，只需將黑白圖像數字化組件改為彩色圖像數字化組件（Colored Image Digitizer）。
展開 
OptiSystem應用：通過機器學習預測系統性能
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的眼圖來訓練光通信系統。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在生成眼圖時的運行狀態。工具將根據訓練條件提供系統參數及眼圖分析結果，以便用戶采取相應的系統管理措施。本案例將展示如何在10Gbps NRZ OOK-DD系統中使用機器學習工具。
首先，我們搭建一個如圖1所示的系統布局。
圖1.10Gbps NRZ OOK-DD系統布局
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 一期一會 | 什么是信號完整性？
通過眼圖分析實現信號完整性的可視化
眼圖分析是探測信號完整性的最常用手段之一。眼圖也叫眼模式圖，是一種查看數字電路隨時間變化的響應的方法。將重復信號輸入分析電路，并隨時間變化測量輸出信號。每比特的數據都疊加在另一個比特位之上，X軸是時間，Y軸是振幅。由于輸入信號是方波，因此完美的電路將生成一個圖像，顯示頂部和底部的兩條水平線以及中間的兩條垂直線，這些線由一比特數據的長度水平分隔，由信號壓差垂直分隔。
但現實中沒有一條電路是完美的，因此圖像會變成像眼睛一樣的形狀。上述信號完整性問題表現為直線失真。下圖是表明電路有問題的典型值。上升時間、下降時間、抖動和眼交叉百分比等值表明了信號失真的情況以及進入系統的噪聲對信號的影響。
通過比較路由、幾何結構或材料修改前后的眼圖，設計人員可以了解這些更改是如何提高電路的信號完整性的。
這種分析方法的初衷是使用示波器快速為電路的信號完整性實現可視化。如今，工程師使用眼圖來根據仿真預期檢查電路性能。這可以使設計人員在遠遠早于原型設計PCB之前，就快速探索修改并查看影響。
信號完整性和集成電路（IC）
本文重點介紹PCB中的信號完整性，但IC芯片中的信號完整性也很重要。由于IC的尺寸較小而且數據速率更高，因此在布置集成電路以及定義互連時，信號完整性是一個更為重要的考慮因素。開關其它信號的耦合效應是芯片中出現SI問題的最大推手。此外，在芯片外部，用作與封裝互連的電線間距非常小，因此會產生大量串擾。
IC芯片的原型設計難度極大，因此可在設計流程中盡早使用仿真對信號完整性和電源完整性進行建模，以識別并糾正潛在問題。在啟動制造流程之前，使用這些工具驗證芯片，可了解其性能是否符合預期。
展開 基于OptiSystem的波分+時分復用混合光網絡系統
信號接收模塊
調用Receivers library中的Photodetector PIN(PIN光電探測器)，而為了更具體的表述該光纖系統的傳輸信號的準確性和可靠性，在整個光纖傳輸系統的接收模型后調用Receivers library中Regenerators中的3R Regenerator（3R再生器）和Visualizer library中Electrical中的BER analyzer（誤碼率分析儀），從而進行信號分析。
圖6. 信號接收模塊
結果分析：
波分復用模塊將四個波長的信號光進行復用，隨后進行波長解調輸出。
圖7. 波分復用與解復用
時分復用模塊將四個不同時間的信號光進行復用，隨后進行時間解調輸出。
圖8. 時分復用與解復用
為研究不同傳輸長度下，該混合傳輸光網絡的信號質量，本案例設置Sweep模式，將光纖長度掃描范圍設置為5~50 km，其中經過5 km傳輸后的眼圖和誤碼率如圖9所示，系統的誤碼率BER低至6.5e-120，Q值為23，說明光信號具有較好的傳輸質量。
圖9. 信號傳輸后的眼圖分析
觀察不同光纖傳輸長度下的誤碼率變化曲線，如圖10所示，隨著傳輸距離的增加，誤碼率在上升。
圖10. 不同光纖傳輸長度下的誤碼率變化曲線
總結展望：本案例設計并仿真了四路波分復用乘以四路時分復用混合光網絡系統結構，分析了系統的波分復用以及時分復用特性，研究了信號光傳輸質量的影響因素。該系統具有將強的拓展性與靈活性，可根據客戶需求，進行調制格式，通信速率和傳輸長度等方面的設計與完善。
最后，歡迎大家通過微信公眾號聯系我們。
展開 OptiSystem應用：通過機器學習預測系統性能
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的眼圖來訓練光通信系統。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在生成眼圖時的運行狀態。工具將根據訓練條件提供系統參數及眼圖分析結果，以便用戶采取相應的系統管理措施。本案例將展示如何在10Gbps NRZ OOK-DD系統中使用機器學習工具。
首先，我們搭建一個如圖1所示的系統布局。
圖1.10Gbps NRZ OOK-DD系統布局
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 基于OptiSystem的高速遠距離光纖通信系統研究
信號接收端采用PIN二極管進行光電轉換，采用Low pass Bessel filter進行濾波處理，為了實時地觀察系統的運行狀態，用BER分析儀進行信號的分析與評價。整個光纖通信系統的架構如下圖示。
圖. 完整的光纖通信系統
3、參數設置
系統整體參數中的比特率Bit rate設置為40Gbit/s。序列發生器Pseudo-Random Bit Sequence Generator為偽隨機碼發生器，Bit rate為40Gbit/s。激光器的波長設置為1550nm，功率設置為0dBm，線寬為0.1MHz。單模光纖設置長度為50km，損耗為0.2dB/km，色散為16ps/nm/km，色散補償光纖長度為10km，損耗為0.5dB/km，色散為-80ps/nm/km。采用EDFA進行損耗補償，分別提供10dB和5dB的增益。光纖傳輸鏈路中采用Loop Control進行循環次數控制。探測部分PIN管的響應度設定為1A/W。
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，表明該系統具有較好的傳輸特性。
為了研究不同傳輸距離下系統信號傳輸的誤碼率，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。
展開 基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析
信號接收端采用PIN二極管進行光電轉換，采用Low pass Bessel filter進行濾波處理，為了觀察系統的運行狀態，用觀測儀器進行信號的分析與評價。
器件參數設置如下：波長為1552.52nm，偏置電流200mA。信號調制速率為10Gbit/s。
通過光譜儀觀測，輸出光譜在1552.52nm波長處具有較窄的線寬，與較高的輸出光信號功率。通過示波器觀測，經過單模光纖傳輸后信號具有較小的噪聲，以及良好的傳輸特性。通過眼圖可以看到，眼睛張開度大，誤碼率近似于0，信號質量好。
LED系統設計：仿真系統連接圖如圖所示，采用直接調制，其中，LED器件受調制后發出信號光，經過Linear Multimode Fiber多模光纖。
器件參數設置：波長為1300nm，帶寬為50nm。信號調制速率為100Mbit/s。多模光纖的長度為500m，損耗為2.61dB/km。
通過光譜儀觀測，輸出光譜在1300nm波長處具有較寬的線寬，與較低的輸出光信號功率。通過眼圖分析儀可以看到，接收到的信號眼圖誤碼率為8.6e-13，Q因子為7.0，滿足信號的傳輸要求。由于線寬不同，LED適宜低速率信號傳輸，而LD可以用于較高速率的光纖通信。
（2）采用EDFA的光纖通信系統，實現對多路光波信號的放大，實現200km、40Gbit/s的傳輸。用仿真軟件搭建一個WDM系統，觀察系統誤碼情況。
EDFA仿真系統設計：連接圖如圖所示，WDM Transmitter發射多通道的信號，波長為1546~1558nm，波長間隔為0.8nm。EDFA采用980 nm波長的泵浦光源，對一定長度的摻鉺光纖進行后向泵浦。
展開 基于optisystem的EDFA通信系統設計
在很大的條件范圍內，這個模型都可以真實的預測波形的失真、眼圖的退化和信號的其它要素。
(3) 接收器
用戶可以依據光探測器輸入端的混合信號來選擇不同的模型。如果噪聲用概率密度函數（PSD）來描述，PIN或者APD將采用基于高斯近似的準分析模型來計算噪聲的作用。如果噪聲是與信號混合在一起，那么使用適當的PFD來描述光電子統計時，這個模型可以增加數字化噪聲。電濾波器件的內部庫包括實際的、頻率相關的參數。在這個庫中，用戶可以考慮不同濾波器形式來設計接收器。
(4) 網絡器件
復用器∕解復用器，上路∕下路，陣列波導光柵，靜態和動態開關，循環∕環形元件，交叉連接，·波長轉換。
(5) 無源器件
·濾波器，調制器，耦合器，分波器，合波器，環形器，隔離器，偏振器件，光纖光柵。
(6) 光放大器
EDFA和拉曼放大器已經成為光纖網絡所需的器件，從WDM網絡轉發器到CATV接線放大器，都有著廣泛的應用。OptiSystem能使用戶選擇不同的模型，例如自定義增益和噪聲系數的理想放大器，或者是基于測量或者速率方程靜態或者動態的解的黑匣子模型。通過利用半導體激光器的多功能特性，可以完成放大和波長轉換。
(6) 觀察儀
客戶可以在任何器件使用觀察儀來打開端口數據監視器，并且存取結果。數據監視器可以保存處理過的信號信息，而沒有必要預先確定觀察儀的類型。因此，一個OSA或WDM分析儀可以加在相同的監視器上，一旦一個計算完成，就不需要再次運算。
庫中可以利用的觀察儀包括：·光∕射頻頻譜分析儀，示波器∕光時域分析儀，眼圖分析儀，誤碼率分析儀，WDM分析儀，功率計。
2、光學方案圖編輯器
這個界面可以讓用戶快速而有效的創建和修改自己的設計。每個OptiSystem方案文件可以包含足夠多的設計版本。
展開 
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，從而估計系統優劣程度，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。
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，從而估計系統優劣程度。
展開 光收發器信號完整性分析（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。“Signal Voltage”的filename屬性必須指向process_voltage_data.lsf腳本創建的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 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 光通信設計軟件——OptiSystem 光通信系統與放大器設計軟件
空間和自由空間光通信
OptiSystem有專門的組件用于自由空間光學信道（天線特性、大氣傳播）建模以及器件（多模信號發生器、空間連接器、薄透鏡、空間可視儀）之間多模信號耦合的空間傳播分析。
可視化工具
可視化和后仿真分析工具包括誤碼率測試儀和分析儀，眼圖分析儀、頻譜分析儀、示波器、光時域觀察儀、功率計、偏振分析儀，空間可視化儀器，環通量，DMD分析儀、光子全參數分析儀，濾波器分析儀，和S參數提取。
應用領域：
OptiSystem針對科研工程師、光通信工程師、系統集成商、學生和各種各樣的其他用戶的需求研發，可以實現物理層中幾乎所有類型光鏈路的設計自動化，以及從SAN到MAN和LAN的寬光譜光網絡分析，應用范圍包括：
? 從組件到系統的光通信系統設計，包括高級調制格式和DSP
? CATV或者TDM/WDM網絡設計
? 基于FTTx的無源光網絡（PON）
? 自用空間光通信（FSO）
? 光載無線通信（ROF）微波系統
? SONET/SDH環設計
? 發射器，信道，放大器，接收器設計
? 不同接收模型下的誤碼率和系統懲罰計算
? 放大系統BER和系統鏈路預算的計算
? 溫度、應力、應變和振動傳感器設計
? Li-Fi應用
? 多模系統
? 光放大器和光纖激光器
? LIDAR系統設計
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