眼图是用来判断信号好坏的,它能帮我们看出信号里的幅度噪声、时序晃动,以及码元之间互相干扰的问题。
设备会先捕获一段实际信号,然后按照时钟恢复出的比特周期,把信号切成很多小段。接着,把这些小段的波形在时间上对齐,一层层叠起来显示。
也就是余晖的方式,让之前的波形痕迹保留下来,新的不断叠加上去,最后形成一个叠加后的统计图形。
拆开来看,3 个码元,共有 000、001、010、101、011、111、110、100 八种组合。以 0001011100 比特流为例。
我们实际在光模块测试中看到的眼图,就是这样把成千上万个比特的波形对齐、叠加在一个比特宽度的时间里得到的结果。
如果是两个码元 0,1,有四种组合:00,01,10,11。比如说接收到 001011 比特流,那得到的图形会是一个“ X ”形。
两个码元只能显示信号的上升沿、下降沿和稳态电平,无法展现出眼图水平方向的真正“张开度”,而水平张开度是衡量定时抖动和 ISI 的关键指标。
所以,在解释眼图成因时,使用的是 3 个码元,因为当前码元的具体波形,其实和它前面、后面的码元都有关系。
不同的调制格式,眼图形状也不同。比如 NRZ 调制,信号只有高、低两个电平,它的眼图就是一个清晰的开口。
而 PAM4 调制有四个电平,波形叠加后,在电平之间会形成三个开口,也就是三只“眼睛”。
从信号生成的角度看,一个 PAM4 信号可以由两路 NRZ 信号组合而成
我们怎么判断眼图的好坏呢?主要看几个指标:眼高、眼宽、抖动和占空比。
在垂直轴电压轴上,噪声以电压噪声的形式反射,在水平轴时间轴上,它在时间域(抖动)中被反映。
在同样条件下,PAM4 每个眼的眼高大约只有 NRZ 的 1/3,这意味着它的信噪比会差 9.5 dB 左右。
无非是两个方向:把眼高撑高一些,或者把眼宽拉宽一些。
对于激光器或调制器来说,在它的线性工作范围内,增加驱动电流或电压,可以提高输出幅度,从而增加眼高。
但这里有个关键:电流不能超过最佳工作点。一旦超过,器件就会饱和或失真,反而导致眼高下降、眼图扭曲。
再就是可以将水平的眼宽变大,这可以通过信号的上升时间或下降时间来实现。
系统带宽和上升/下降时间成反比,大致可以用这个公式估算:
上升时间 (Tr) ≈ 0.35 / 带宽 (BW)
也就是说带宽越大,系统能通过的高频分量越多,信号跳变越快,脉冲越窄,眼宽就越大。
对于DFB激光器等,它的偏置电流会直接影响系统的带宽。
对于 PAM4 信号里的小幅度跳变,比如从 -1 跳到 +1,本身信号能量小、变化慢,它们对系统的小信号带宽特别敏感。
如果系统带宽不足或高频响应有衰减,小信号的上升/下降时间会明显变慢。结果就是脉冲展宽,码元之间产生严重的相互干扰。
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