測試相干光收發(fā)機(jī):需要知道什么?

測試相干光收發(fā)機(jī)：在DP-QPSK從研發(fā)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)和部署時您需要知道什么

對主要電信運(yùn)營商和服務(wù)提供商來說，在遠(yuǎn)距離及超遠(yuǎn)距離密集波分復(fù)用(DWDM)中轉(zhuǎn)向 100G 相干光技術(shù)的時機(jī)已經(jīng)成熟。高帶寬應(yīng)用如影視點(diǎn)播和基于云的服務(wù)迅速增長，把承載容量放到絕對最高的優(yōu)先地位。就目前來講，解決方案是從現(xiàn)有光纖中擠出更多的頻譜效率。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，運(yùn)營商們正從傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控(OOK)轉(zhuǎn)向相干雙極正交相移鍵控(DP-QPSK)、正交幅度調(diào)制(QAM)及許多正交頻分復(fù)用(OFDM)變通方案。

隨著相干光波技術(shù)從研發(fā)轉(zhuǎn)向制造和生產(chǎn)部署，許多開發(fā)實(shí)驗(yàn)室仍在采用內(nèi)部開發(fā)的相干接收機(jī)和分析軟件，其通常耦合為自適應(yīng)均衡器，在所有條件下都使眼圖睜開達(dá)到最大。盡管這種方法對接收機(jī)開發(fā)非常重要，但它經(jīng)常會漏掉傳輸系統(tǒng)中關(guān)鍵的信號失真來源，這些系統(tǒng)響應(yīng)慢，可能會不能迅速識別故障的根本原因。

因此，擁有經(jīng)過檢定、經(jīng)過校準(zhǔn)、可重復(fù)的分析方法和設(shè)備非常關(guān)鍵。盡管業(yè)界還沒有為當(dāng)前主導(dǎo)的OIF制訂的DP-QPSK格式確定測試標(biāo)準(zhǔn)，以確?；ゲ僮髂芰?，如串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中常用的眼圖模板，但在特定Q因數(shù)處進(jìn)行測試至少可以交叉檢查元器件性能。各種標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)在未來幾年中將不斷發(fā)展，制訂能夠調(diào)整、適應(yīng)不同相干調(diào)制方案的測試戰(zhàn)略至關(guān)重要。

在設(shè)計(jì)和部署相干遠(yuǎn)距離光纖傳輸系統(tǒng)時，非常重要的一點(diǎn)是保證相干光收發(fā)機(jī)實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的誤碼率性能和可重復(fù)的Q因數(shù)。在本文中，我們考察了多種測試工具，特別是相干光波信號分析儀技術(shù)，這些技術(shù)可望發(fā)現(xiàn)和減輕研發(fā)、制造或部署過程中物理設(shè)計(jì)的損傷。

測試挑戰(zhàn)和方法 – 了解出了什么問題

在任何傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)收發(fā)機(jī)在生產(chǎn)中或在現(xiàn)場失效時確定“出了什么問題”的能力是成功的關(guān)鍵。遺憾的是，傳統(tǒng)直接檢測方法不足以測量相位調(diào)制信號。例如，以傳統(tǒng)方式使用的光電二極管作為接收機(jī)設(shè)置檢測OOK或幅度調(diào)制，當(dāng)存在一個相位調(diào)制信號，光載波進(jìn)行相位調(diào)制、而不是幅度調(diào)制時，會應(yīng)答全為1。因此，我們不推薦以當(dāng)前配置使用傳統(tǒng)眼圖分析儀，因?yàn)樗鼈儾荒苡脕砝L制傳統(tǒng)數(shù)量指標(biāo)圖。

這要求使用相干光波信號分析儀，通過把輸入的場或被測信號與固定波長運(yùn)行的局部激光器混頻，來導(dǎo)出相位信息。相干分析儀允許用戶在復(fù)合平面中查看光信號，即信號的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分。這種幅度和相位組合或矢量描述了相對于局部激光器產(chǎn)生的參考信號的量級(幅度)和角度(相位)。

在從研發(fā)轉(zhuǎn)入生產(chǎn)時，測試系統(tǒng)需要能夠補(bǔ)償損傷。直接檢測方法在硬件中以有限的方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，相干方法則可以在硬件中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它仿真相位和時鐘恢復(fù)、極化解析和均衡使用的固件。這還可望建立傳輸信道模型，解決損傷，洞察導(dǎo)致誤碼率的因素。這時候，還需要開發(fā)測試余量和戰(zhàn)略，以便能夠迅速識別和解決問題。

相干測試儀器也可以用在生產(chǎn)環(huán)境中，“轉(zhuǎn)動旋鈕”，追蹤錯誤來源，包括調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)調(diào)制器偏移、環(huán)路追蹤、源功率和行寬、啟動激光器及確定調(diào)制器驅(qū)動器功率和信號質(zhì)量。其它潛在的錯誤和故障來源包括接收機(jī)功能門限和余量以及光路徑上的接收機(jī)混合校準(zhǔn)矩陣。一旦進(jìn)入現(xiàn)場，測試將涉及偏移環(huán)路和反饋、源功率測量、調(diào)諧和了解熱效應(yīng)。

相干信號分析儀

在相干檢測技術(shù)中，復(fù)合(正交)調(diào)制和極化分集的優(yōu)勢是能夠考察光載波的整個電場。除頻譜效率高以外，訪問相干接收機(jī)上的這些場量進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)濾波，可以全面補(bǔ)償色階和極化模式色散等損傷。然后可以使用Q因數(shù)或誤差矢量幅度(EVM)等指標(biāo)測量信號質(zhì)量，檢定和調(diào)試發(fā)射機(jī)、收發(fā)機(jī)、發(fā)射機(jī)應(yīng)答器、激光器、調(diào)制器和半導(dǎo)體器件。

相干或星座圖分析儀包括一個極化分集光前端及一臺緊密集成的超寬帶、低噪聲實(shí)時示波器，數(shù)字化四個均衡光接收機(jī)輸出，處理結(jié)果，恢復(fù)相位和時鐘。然后，它把光纖中相干調(diào)制信號的x極性和y極性表示為穩(wěn)定的星座圖。

相干分析儀可以從光纖輸入到電輸出進(jìn)行全面校準(zhǔn)，保證硬件為黃金標(biāo)準(zhǔn)。換句話說，通過使用擁有最寬帶寬、最高采樣率和最高靈敏度的示波器，相干光分析儀可以全面校準(zhǔn)及真實(shí)表示光纖中的光場，包括校準(zhǔn)模擬前端路徑增益、相角以及頻響和偏移或路徑延遲。

圖1是光分析儀的結(jié)構(gòu)。作為數(shù)字化器的光前端，相干參考接收機(jī)把兩條單模光纖作為輸入，一條光纖承載信號，另一條作為相位參考或本振(LO)。在接收機(jī)中，相位參考均勻地劃分到X極性和Y極性中，并與兩個分支中的信號混合，即I和Q。四條通道由均衡光電檢測器傳感，作為電輸出提供，然后饋送到擁有足夠帶寬的實(shí)時示波器中，捕獲差頻波形。

圖1. 相干光信號分析儀結(jié)構(gòu)

Optical signal: 光信號

LO: 本振

Phase/polarization diversity hybrid (all passive): 相位/極化分集混合(全部無源)

Photo-detectors: 光電檢測器

A/D converters: 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Processor: 處理器

Display: 顯示器

這一系統(tǒng)的核心是數(shù)字化器。鑒于光纖提供的數(shù)據(jù)速率很高，因此非常重要的一點(diǎn)是擁有最高精度和靈敏度及最寬帶寬的數(shù)字化器。示波器制造商不斷發(fā)展數(shù)字化器技術(shù)，以滿足市場需求?，F(xiàn)在的最新型號在四條通道中提供了超過20 GHz的帶寬及50 GS/s的采樣率。為提高性能，可以把多臺示波器組合起來，在四條通道中提供超過30 GHz的帶寬和100 GS/s的采樣率。通道數(shù)量非常重要，因?yàn)閷饫w中的信號進(jìn)行全場檢定要求四條通道：X極性和Y極性都要求同相通道和正交通道。

然后使用示波器(或外部計(jì)算機(jī))上運(yùn)行的軟件處理突發(fā)模式信道數(shù)據(jù)，提取與調(diào)制方式有關(guān)的支流，報(bào)告測量結(jié)果，以各種格式顯示提取的信號。如圖2所示，這可以包括每個極化的星座圖和每個支流的眼圖及相關(guān)Q圖。這類軟件還提供了許多其它數(shù)據(jù)展示方式，用戶也可以使用MATLAB創(chuàng)建自己的展示數(shù)據(jù)。

圖2.相干光波信號分析儀提供的控制和分析功能。在本例中，觀察到的是使用23 GHz帶寬、以50 GS/s采樣率數(shù)字化后的32 Gbaud光信號.

測試戰(zhàn)略的實(shí)際應(yīng)用

在從研發(fā)轉(zhuǎn)入質(zhì)檢和生產(chǎn)的過程中，在考慮備選方案時，了解相干儀器和相干接收機(jī)之間的區(qū)別非常重要。相干儀器設(shè)計(jì)成擁有最寬的帶寬和經(jīng)過校準(zhǔn)的性能。相比之下，相干接收機(jī)設(shè)計(jì)成只在一定光信噪比下提供某個誤碼率必需的帶寬。這意味著后者的眼圖質(zhì)量將低于真正校準(zhǔn)后的儀器上繪制的眼圖質(zhì)量，而且沒有任何方式來準(zhǔn)確地確定測試余量或查看故障的根本原因。接收機(jī)的角色是調(diào)整和縮窄帶寬，最大限度地消除噪聲，除了簡單的通過/失敗測試外，不太適合代替測試儀器。

在生產(chǎn)環(huán)境中，可以設(shè)置相干信號分析儀，自動執(zhí)行一系列測試，節(jié)約時間。通過使用圖形用戶界面，擁有不同技能的各類用戶可以學(xué)習(xí)和使用系統(tǒng)。它還可以在實(shí)時互動環(huán)境中測試不同的均衡和相位恢復(fù)算法，以優(yōu)化性能。此外，能夠了解信號鏈條不同點(diǎn)上帶寬限制的影響有助于揭示這些限制會在哪里產(chǎn)生過多的錯誤。

數(shù)字化器性能的影響

相干光信號分析儀最重要的要求之一是在屏幕上準(zhǔn)確表示經(jīng)過光纖的實(shí)際信號。通過檢查數(shù)字化器的靈敏度、線性度和帶寬，可以評估這一能力。對給定的相干光前端，數(shù)字化系統(tǒng)是確定測量系統(tǒng)工作精度的一個關(guān)鍵變量。

在圖3中，使用的是相同的28 Gbaud單一極化電信號，但數(shù)據(jù)是使用不同的數(shù)字化器捕獲的。在最左面的圖中，眼圖變圓、缺少完全平坦的上下軌表明了使用<20GHz帶寬示波器時由于帶寬有限所帶來的影響。盡管在這種情況下眼圖完全睜開，因此測量沒有差錯，但它并沒有完全準(zhǔn)確地表示輸入的信號。在性能提高時，眼圖質(zhì)量也會提高。在33 GHz帶寬、100 GS/s采樣率時進(jìn)行的采集基本上消除了帶寬和頻響限制，表明擁有準(zhǔn)確靈敏的數(shù)字化器的重要意義。

圖3 多個眼圖比較，表明帶寬和采樣率對信號精度的影響。

高帶寬數(shù)字化器與相干分析儀配套使用時，其優(yōu)勢是能夠揭示光傳輸系統(tǒng)中的限制來源。圖4顯示了另一個帶寬視圖，在本例中是信號頻譜。在20 GHz時，調(diào)制器和調(diào)制器驅(qū)動器的局限性并不明顯，因?yàn)槭静ㄆ鲙挶旧硪呀?jīng)成為限制因素之一。然而，在33 GHz時，可以清楚地看到信號跌落的點(diǎn)，因?yàn)閿?shù)字化器和光接收機(jī)的帶寬不再是限制因素。

圖4. 更寬的帶寬使得查看調(diào)制器和驅(qū)動器的局限性成為可能。

20 GHz scope: 20 GHz示波器

33 GHz scope: 33 GHz示波器

5 GHz per div: 每格5 GHz

10 GHz per div: 每格10 GHz

測量Tx 星座圖的不理想特點(diǎn)

相干光信號分析儀提供了多種測量功能，可以找到問題的根本原因，了解損傷的各種來源。其中比較實(shí)用的測量之一是考察發(fā)射機(jī)星座圖的不理想特點(diǎn)，包括EVM、Q因數(shù)和相角。

從根本上看，EVM是衡量哪些成分將成為數(shù)字信號的模擬指標(biāo)。如圖5所示，查看檢測到的符號及測量其距理想符號位置的距離，可以得到誤差矢量幅度。它可以列為平均值或時間函數(shù)。EVM的一個優(yōu)勢是您不需要知道碼型，而Q因數(shù)則需要知道碼型。

圖5. 使用EVM測量Tx 星座圖的不理想特點(diǎn)。

另一方面，使用圖6所示的Q因數(shù)可以提供現(xiàn)實(shí)得多、細(xì)致得多的符號視圖。通過Q因數(shù)，系統(tǒng)將移動判定門限，在判定門限移動時，系統(tǒng)會計(jì)算誤碼數(shù)量。Q圖也就是有效顛倒的浴缸曲線，用來表明相干調(diào)制眼圖的同相成分和正交成分。Q圖不僅提供了預(yù)計(jì)的誤碼率，還作為Q因數(shù)提供了衡量眼圖質(zhì)量的單一指標(biāo)。這可望迅速確定優(yōu)化Q時在帶寬中是否有任何損傷。

圖6. 使用Q因數(shù)測量Tx 星座圖的不理想特點(diǎn)

有助于找到根本原因的另一個測量指標(biāo)是星座圖相角，可以使用校準(zhǔn)后的儀器精確讀出相角。圖7顯示被調(diào)制信號同相成分和正交成分之間的相角是76度，而理想的相角是90度。這類信號在背對背場景中是沒有差錯的。然而，在加載噪聲時，與比較精確地調(diào)諧系統(tǒng)相比，差錯率可能會更迅速地提高。

圖7. 以76度相角測量Tx 星座圖的不理想特點(diǎn)表明調(diào)諧不準(zhǔn)確，在噪聲提高時可能會導(dǎo)致誤差

總結(jié)

相干光波信號分析儀允許工程師了解和優(yōu)化采用高級調(diào)制技術(shù)(如DP-QPSK)的光網(wǎng)絡(luò)。它能夠分析信號，測量星座圖參數(shù)、正交和調(diào)制器偏差值、符號掩碼、EVM、信號和相位頻譜、BER和Q對判定門限。這種準(zhǔn)確的、可重復(fù)的分析范圍節(jié)約了時間，使得擁有一定知識和背景的現(xiàn)場技師或制造工程師能夠使用系統(tǒng)。

隨著100G技術(shù)從研發(fā)轉(zhuǎn)入質(zhì)檢和生產(chǎn)，相干信號分析儀實(shí)現(xiàn)的測試自動化也變得日益重要。信號分析儀還支持測試均衡和相位恢復(fù)算法，并能夠了解帶寬限制的各種影響，而不管是在發(fā)射機(jī)、數(shù)字化器上、還是在接收機(jī)上。