【干货】高速信号眼图与接收灵敏度的关系（相噪篇）

硬件电子工程师 · 发表于 2023-7-11 23:58:00

本文通过具体实例详述眼图如何评估高速信号系统性能，以常见的光模块为例详细的总结了眼图一些常见的参数和光模块灵敏度之间的关系。上节我们以眼图作为分析工具，详细分析了幅度噪声和灵敏度的关系，本节我们将结合相位噪声，分析下相位噪声对灵敏度的影响。

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1、眼图与灵敏度（相位篇）上节我们讲过，从PIN管的输出电眼图形状近似升余弦脉冲，滤波后去掉了噪声，带宽有限且波形比较完整对称，有利于判决和提取时钟，因为一般来说在判决时刻脉冲的幅度最大。
因此CDR的恢复的时钟信号正常情况下和眼图的中心线是重合的，在10G速率下，中心近似和0码的交叉点有50ps的时基距离。一般情况下，最佳的采样时机并不在眼图的中心，而是一些其他的点。一般DEMUX芯片里有相位设置的调节。判决门限调整电路用来在电压域内选择最优点，而相位调整电路就在时域内选择最佳采样点的。

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图1 利用眼图说明相位调整对灵敏度的优化作用
如图1，无论是灵敏度还是OSNR，最佳采样点必定具有最大的噪声容限。而相位调节对其接收端性能优化的原理还是关系到特定时间点上幅度噪声大小，幅度噪声小则噪声容限大。以上实验截图只说明相位调节的原理，实际上根据上节幅度的分析，弱光功率下的眼图基本具有对称性，所以对比OSNR的优化，相位调节对灵敏度的优化能力还是很明显。这个分析结果已经早已被我们的模块日常调试实验所验证。
眼图的“眼高”参数对应的是幅度噪声的容限，眼宽参数对应的是相位噪声的容限。
发送端信号的预加重可以减小信号的响应时间，补偿上升边沿的高频分量，使得眼图趋于升余弦对称，能使最佳判决点趋于眼中并提供较高的噪声容限。
DEMUX芯片的相位设置选项如图2：

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图2 某驱动芯片的接收端相位偏置设置
在最佳判决时间，噪声容限最大，灵敏度最小，示意图具体推导可参考总结的公式，无论理论计算中脉冲的波形是否选用高斯脉冲，只要内层函数的增减性不变，得到的曲线形状都基本一样。

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图3 相位调整偏置和灵敏度的关系
曾尝试结合抖动和总结式推导误码率的浴盆曲线，未果，但是采样点的时间偏置和误码率两者的联系关系是肯定的。

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图4 采样时间的BER扫描图
2、总结如下是结合上一篇眼图幅值和本篇眼图相位噪声对灵敏度的影响关系：
总结：如图3，设满足误码率为10-12时刻光模块接收功率为P（灵敏度），相位判决t时刻的噪声总幅度为VN(t)，限幅放大器的灵敏度为Vsensitivity，入光P对应的光电幅度为Vpp。PIN管响应度为R,跨阻为Rt，则判决失败率为10^-12时，近似有

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而由光电转换Vpp=P*R*Rt，可得光模块的灵敏度关系式：

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以某光模块的接收系统为例，

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应用此公式可进行一些理论分析和实验指导，比如如果要求光模块的灵敏度低于－17dBm，那么由此公式可计算出总噪声幅度不能超过12.6mV。（请注意由于PIN管的模拟信号限幅，该公式只适用与Sensitivity小于-5.5dBm的推导）。