測(cè)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(shí)您需要知道什么

對(duì)主要電信運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商來(lái)說(shuō)，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(shí)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(zhǎng)，把承載容量放到絕對(duì)最高的優(yōu)先地位。就目前來(lái)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(yíng)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(duì)接收機(jī)開發(fā)非常重要，但它經(jīng)常會(huì)漏掉傳輸系統(tǒng)中關(guān)鍵的信號(hào)失真來(lái)源，這些系統(tǒng)響應(yīng)慢，可能會(huì)不能迅速識(shí)別故障的根本原因。

因此，擁有經(jīng)過(guò)檢定、經(jīng)過(guò)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以確?；ゲ僮髂芰Γ绱袛?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(cè)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(lái)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(cè)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(shí)，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(cè)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(cè)試工具，特別是相干光波信號(hào)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(guò)程中物理設(shè)計(jì)的損傷。

測(cè)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(chǎng)失效時(shí)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(cè)方法不足以測(cè)量相位調(diào)制信號(hào)。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(cè)OOK或幅度調(diào)制，當(dāng)存在一個(gè)相位調(diào)制信號(hào)，光載波進(jìn)行相位調(diào)制、而不是幅度調(diào)制時(shí)，會(huì)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?lái)繪制傳統(tǒng)數(shù)量指標(biāo)圖。

這要求使用相干光波信號(hào)分析儀，通過(guò)把輸入的場(chǎng)或被測(cè)信號(hào)與固定波長(zhǎng)運(yùn)行的局部激光器混頻，來(lái)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(hào)，即信號(hào)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(duì)于局部激光器產(chǎn)生的參考信號(hào)的量級(jí)(幅度)和角度(相位)。

在從研發(fā)轉(zhuǎn)入生產(chǎn)時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)需要能夠補(bǔ)償損傷。直接檢測(cè)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(shí)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(shí)候，還需要開發(fā)測(cè)試余量和戰(zhàn)略，以便能夠迅速識(shí)別和解決問題。

相干測(cè)試儀器也可以用在生產(chǎn)環(huán)境中，“轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕”，追蹤錯(cuò)誤來(lái)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(dòng)激光器及確定調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器功率和信號(hào)質(zhì)量。其它潛在的錯(cuò)誤和故障來(lái)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(chǎng)，測(cè)試將涉及偏移環(huán)路和反饋、源功率測(cè)量、調(diào)諧和了解熱效應(yīng)。

相干信號(hào)分析儀

在相干檢測(cè)技術(shù)中，復(fù)合(正交)調(diào)制和極化分集的優(yōu)勢(shì)是能夠考察光載波的整個(gè)電場(chǎng)。除頻譜效率高以外，訪問相干接收機(jī)上的這些場(chǎng)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(cè)量信號(hào)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(gè)極化分集光前端及一臺(tái)緊密集成的超寬帶、低噪聲實(shí)時(shí)示波器，數(shù)字化四個(gè)均衡光接收機(jī)輸出，處理結(jié)果，恢復(fù)相位和時(shí)鐘。然后，它把光纖中相干調(diào)制信號(hào)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(shuō)，通過(guò)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(chǎng)，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(hào)，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(gè)分支中的信號(hào)混合，即I和Q。四條通道由均衡光電檢測(cè)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(shí)示波器中，捕獲差頻波形。

圖1. 相干光信號(hào)分析儀結(jié)構(gòu)

Optical signal: 光信號(hào)

LO: 本振

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

Photo-detectors: 光電檢測(cè)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(chǎng)需求。現(xiàn)在的最新型號(hào)在四條通道中提供了超過(guò)20 GHz的帶寬及50 GS/s的采樣率。為提高性能，可以把多臺(tái)示波器組合起來(lái)，在四條通道中提供超過(guò)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?duì)光纖中的信號(hào)進(jìn)行全場(chǎng)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(cè)量結(jié)果，以各種格式顯示提取的信號(hào)。如圖2所示，這可以包括每個(gè)極化的星座圖和每個(gè)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(hào)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(hào).

測(cè)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(guò)程中，在考慮備選方案時(shí)，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(guò)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(gè)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(lái)準(zhǔn)確地確定測(cè)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(jiǎn)單的通過(guò)/失敗測(cè)試外，不太適合代替測(cè)試儀器。

在生產(chǎn)環(huán)境中，可以設(shè)置相干信號(hào)分析儀，自動(dòng)執(zhí)行一系列測(cè)試，節(jié)約時(shí)間。通過(guò)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(shí)互動(dòng)環(huán)境中測(cè)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(hào)鏈條不同點(diǎn)上帶寬限制的影響有助于揭示這些限制會(huì)在哪里產(chǎn)生過(guò)多的錯(cuò)誤。

數(shù)字化器性能的影響

相干光信號(hào)分析儀最重要的要求之一是在屏幕上準(zhǔn)確表示經(jīng)過(guò)光纖的實(shí)際信號(hào)。通過(guò)檢查數(shù)字化器的靈敏度、線性度和帶寬，可以評(píng)估這一能力。對(duì)給定的相干光前端，數(shù)字化系統(tǒng)是確定測(cè)量系統(tǒng)工作精度的一個(gè)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(hào)，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(shí)由于帶寬有限所帶來(lái)的影響。盡管在這種情況下眼圖完全睜開，因此測(cè)量沒有差錯(cuò)，但它并沒有完全準(zhǔn)確地表示輸入的信號(hào)。在性能提高時(shí)，眼圖質(zhì)量也會(huì)提高。在33 GHz帶寬、100 GS/s采樣率時(shí)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(gè)眼圖比較，表明帶寬和采樣率對(duì)信號(hào)精度的影響。

高帶寬數(shù)字化器與相干分析儀配套使用時(shí)，其優(yōu)勢(shì)是能夠揭示光傳輸系統(tǒng)中的限制來(lái)源。圖4顯示了另一個(gè)帶寬視圖，在本例中是信號(hào)頻譜。在20 GHz時(shí)，調(diào)制器和調(diào)制器驅(qū)動(dòng)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(shí)，可以清楚地看到信號(hào)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(dòng)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(cè)量Tx 星座圖的不理想特點(diǎn)

相干光信號(hào)分析儀提供了多種測(cè)量功能，可以找到問題的根本原因，了解損傷的各種來(lái)源。其中比較實(shí)用的測(cè)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(hào)的模擬指標(biāo)。如圖5所示，查看檢測(cè)到的符號(hào)及測(cè)量其距理想符號(hào)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(shí)間函數(shù)。EVM的一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(cè)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(hào)視圖。通過(guò)Q因數(shù)，系統(tǒng)將移動(dòng)判定門限，在判定門限移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算誤碼數(shù)量。Q圖也就是有效顛倒的浴缸曲線，用來(lái)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(shí)在帶寬中是否有任何損傷。

圖6. 使用Q因數(shù)測(cè)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(gè)測(cè)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(hào)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(hào)在背對(duì)背場(chǎng)景中是沒有差錯(cuò)的。然而，在加載噪聲時(shí)，與比較精確地調(diào)諧系統(tǒng)相比，差錯(cuò)率可能會(huì)更迅速地提高。

圖7. 以76度相角測(cè)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(shí)可能會(huì)導(dǎo)致誤差

總結(jié)

相干光波信號(hào)分析儀允許工程師了解和優(yōu)化采用高級(jí)調(diào)制技術(shù)(如DP-QPSK)的光網(wǎng)絡(luò)。它能夠分析信號(hào)，測(cè)量星座圖參數(shù)、正交和調(diào)制器偏差值、符號(hào)掩碼、EVM、信號(hào)和相位頻譜、BER和Q對(duì)判定門限。這種準(zhǔn)確的、可重復(fù)的分析范圍節(jié)約了時(shí)間，使得擁有一定知識(shí)和背景的現(xiàn)場(chǎng)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(hào)分析儀實(shí)現(xiàn)的測(cè)試自動(dòng)化也變得日益重要。信號(hào)分析儀還支持測(cè)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。