测试相干光收发机:需要知道什么?

测试相干光收发机：在DP-QPSK从研发转向生产和部署时您需要知道什么

对主要电信运营商和服务提供商来说，在远距离及超远距离密集波分复用(DWDM)中转向 100G 相干光技术的时机已经成熟。高带宽应用如影视点播和基于云的服务迅速增长，把承载容量放到绝对最高的优先地位。就目前来讲，解决方案是从现有光纤中挤出更多的频谱效率。为实现这一目标，运营商们正从传统的开关键控(OOK)转向相干双极正交相移键控(DP-QPSK)、正交幅度调制(QAM)及许多正交频分复用(OFDM)变通方案。

随着相干光波技术从研发转向制造和生产部署，许多开发实验室仍在采用内部开发的相干接收机和分析软件，其通常耦合为自适应均衡器，在所有条件下都使眼图睁开达到最大。尽管这种方法对接收机开发非常重要，但它经常会漏掉传输系统中关键的信号失真来源，这些系统响应慢，可能会不能迅速识别故障的根本原因。

因此，拥有经过检定、经过校准、可重复的分析方法和设备非常关键。尽管业界还没有为当前主导的OIF制订的DP-QPSK格式确定测试标准，以确保互操作能力，如串行数据通信系统中常用的眼图模板，但在特定Q因数处进行测试至少可以交叉检查元器件性能。各种标准和技术在未来几年中将不断发展，制订能够调整、适应不同相干调制方案的测试战略至关重要。

在设计和部署相干远距离光纤传输系统时，非常重要的一点是保证相干光收发机实现可预测的误码率性能和可重复的Q因数。在本文中，我们考察了多种测试工具，特别是相干光波信号分析仪技术，这些技术可望发现和减轻研发、制造或部署过程中物理设计的损伤。

测试挑战和方法 – 了解出了什么问题

在任何传输系统中，当收发机在生产中或在现场失效时确定“出了什么问题”的能力是成功的关键。遗憾的是，传统直接检测方法不足以测量相位调制信号。例如，以传统方式使用的光电二极管作为接收机设置检测OOK或幅度调制，当存在一个相位调制信号，光载波进行相位调制、而不是幅度调制时，会应答全为1。因此，我们不推荐以当前配置使用传统眼图分析仪，因为它们不能用来绘制传统数量指标图。

这要求使用相干光波信号分析仪，通过把输入的场或被测信号与固定波长运行的局部激光器混频，来导出相位信息。相干分析仪允许用户在复合平面中查看光信号，即信号的实数部分和虚数部分。这种幅度和相位组合或矢量描述了相对于局部激光器产生的参考信号的量级(幅度)和角度(相位)。

在从研发转入生产时，测试系统需要能够补偿损伤。直接检测方法在硬件中以有限的方式实现这一点，相干方法则可以在硬件中实现这一点，它仿真相位和时钟恢复、极化解析和均衡使用的固件。这还可望建立传输信道模型，解决损伤，洞察导致误码率的因素。这时候，还需要开发测试余量和战略，以便能够迅速识别和解决问题。

相干测试仪器也可以用在生产环境中，“转动旋钮”，追踪错误来源，包括调节发射机调制器偏移、环路追踪、源功率和行宽、启动激光器及确定调制器驱动器功率和信号质量。其它潜在的错误和故障来源包括接收机功能门限和余量以及光路径上的接收机混合校准矩阵。一旦进入现场，测试将涉及偏移环路和反馈、源功率测量、调谐和了解热效应。

相干信号分析仪

在相干检测技术中，复合(正交)调制和极化分集的优势是能够考察光载波的整个电场。除频谱效率高以外，访问相干接收机上的这些场量进一步实现了数学滤波，可以全面补偿色阶和极化模式色散等损伤。然后可以使用Q因数或误差矢量幅度(EVM)等指标测量信号质量，检定和调试发射机、收发机、发射机应答器、激光器、调制器和半导体器件。

相干或星座图分析仪包括一个极化分集光前端及一台紧密集成的超宽带、低噪声实时示波器，数字化四个均衡光接收机输出，处理结果，恢复相位和时钟。然后，它把光纤中相干调制信号的x极性和y极性表示为稳定的星座图。

相干分析仪可以从光纤输入到电输出进行全面校准，保证硬件为黄金标准。换句话说，通过使用拥有最宽带宽、最高采样率和最高灵敏度的示波器，相干光分析仪可以全面校准及真实表示光纤中的光场，包括校准模拟前端路径增益、相角以及频响和偏移或路径延迟。

图1是光分析仪的结构。作为数字化器的光前端，相干参考接收机把两条单模光纤作为输入，一条光纤承载信号，另一条作为相位参考或本振(LO)。在接收机中，相位参考均匀地划分到X极性和Y极性中，并与两个分支中的信号混合，即I和Q。四条通道由均衡光电检测器传感，作为电输出提供，然后馈送到拥有足够带宽的实时示波器中，捕获差频波形。

图1. 相干光信号分析仪结构

Optical signal: 光信号

LO: 本振

Phase/polarization diversity hybrid (all passive): 相位/极化分集混合(全部无源)

Photo-detectors: 光电检测器

A/D converters: 模数转换器

Processor: 处理器

Display: 显示器

这一系统的核心是数字化器。鉴于光纤提供的数据速率很高，因此非常重要的一点是拥有最高精度和灵敏度及最宽带宽的数字化器。示波器制造商不断发展数字化器技术，以满足市场需求。现在的最新型号在四条通道中提供了超过20 GHz的带宽及50 GS/s的采样率。为提高性能，可以把多台示波器组合起来，在四条通道中提供超过30 GHz的带宽和100 GS/s的采样率。通道数量非常重要，因为对光纤中的信号进行全场检定要求四条通道：X极性和Y极性都要求同相通道和正交通道。

然后使用示波器(或外部计算机)上运行的软件处理突发模式信道数据，提取与调制方式有关的支流，报告测量结果，以各种格式显示提取的信号。如图2所示，这可以包括每个极化的星座图和每个支流的眼图及相关Q图。这类软件还提供了许多其它数据展示方式，用户也可以使用MATLAB创建自己的展示数据。

图2.相干光波信号分析仪提供的控制和分析功能。在本例中，观察到的是使用23 GHz带宽、以50 GS/s采样率数字化后的32 Gbaud光信号.

测试战略的实际应用

在从研发转入质检和生产的过程中，在考虑备选方案时，了解相干仪器和相干接收机之间的区别非常重要。相干仪器设计成拥有最宽的带宽和经过校准的性能。相比之下，相干接收机设计成只在一定光信噪比下提供某个误码率必需的带宽。这意味着后者的眼图质量将低于真正校准后的仪器上绘制的眼图质量，而且没有任何方式来准确地确定测试余量或查看故障的根本原因。接收机的角色是调整和缩窄带宽，最大限度地消除噪声，除了简单的通过/失败测试外，不太适合代替测试仪器。

在生产环境中，可以设置相干信号分析仪，自动执行一系列测试，节约时间。通过使用图形用户界面，拥有不同技能的各类用户可以学习和使用系统。它还可以在实时互动环境中测试不同的均衡和相位恢复算法，以优化性能。此外，能够了解信号链条不同点上带宽限制的影响有助于揭示这些限制会在哪里产生过多的错误。

数字化器性能的影响

相干光信号分析仪最重要的要求之一是在屏幕上准确表示经过光纤的实际信号。通过检查数字化器的灵敏度、线性度和带宽，可以评估这一能力。对给定的相干光前端，数字化系统是确定测量系统工作精度的一个关键变量。

在图3中，使用的是相同的28 Gbaud单一极化电信号，但数据是使用不同的数字化器捕获的。在最左面的图中，眼图变圆、缺少完全平坦的上下轨表明了使用<20GHz带宽示波器时由于带宽有限所带来的影响。尽管在这种情况下眼图完全睁开，因此测量没有差错，但它并没有完全准确地表示输入的信号。在性能提高时，眼图质量也会提高。在33 GHz带宽、100 GS/s采样率时进行的采集基本上消除了带宽和频响限制，表明拥有准确灵敏的数字化器的重要意义。

图3 多个眼图比较，表明带宽和采样率对信号精度的影响。

高带宽数字化器与相干分析仪配套使用时，其优势是能够揭示光传输系统中的限制来源。图4显示了另一个带宽视图，在本例中是信号频谱。在20 GHz时，调制器和调制器驱动器的局限性并不明显，因为示波器带宽本身已经成为限制因素之一。然而，在33 GHz时，可以清楚地看到信号跌落的点，因为数字化器和光接收机的带宽不再是限制因素。

图4. 更宽的带宽使得查看调制器和驱动器的局限性成为可能。

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

测量Tx 星座图的不理想特点

相干光信号分析仪提供了多种测量功能，可以找到问题的根本原因，了解损伤的各种来源。其中比较实用的测量之一是考察发射机星座图的不理想特点，包括EVM、Q因数和相角。

从根本上看，EVM是衡量哪些成分将成为数字信号的模拟指标。如图5所示，查看检测到的符号及测量其距理想符号位置的距离，可以得到误差矢量幅度。它可以列为平均值或时间函数。EVM的一个优势是您不需要知道码型，而Q因数则需要知道码型。

图5. 使用EVM测量Tx 星座图的不理想特点。

另一方面，使用图6所示的Q因数可以提供现实得多、细致得多的符号视图。通过Q因数，系统将移动判定门限，在判定门限移动时，系统会计算误码数量。Q图也就是有效颠倒的浴缸曲线，用来表明相干调制眼图的同相成分和正交成分。Q图不仅提供了预计的误码率，还作为Q因数提供了衡量眼图质量的单一指标。这可望迅速确定优化Q时在带宽中是否有任何损伤。

图6. 使用Q因数测量Tx 星座图的不理想特点

有助于找到根本原因的另一个测量指标是星座图相角，可以使用校准后的仪器精确读出相角。图7显示被调制信号同相成分和正交成分之间的相角是76度，而理想的相角是90度。这类信号在背对背场景中是没有差错的。然而，在加载噪声时，与比较精确地调谐系统相比，差错率可能会更迅速地提高。

图7. 以76度相角测量Tx 星座图的不理想特点表明调谐不准确，在噪声提高时可能会导致误差

总结

相干光波信号分析仪允许工程师了解和优化采用高级调制技术(如DP-QPSK)的光网络。它能够分析信号，测量星座图参数、正交和调制器偏差值、符号掩码、EVM、信号和相位频谱、BER和Q对判定门限。这种准确的、可重复的分析范围节约了时间，使得拥有一定知识和背景的现场技师或制造工程师能够使用系统。

随着100G技术从研发转入质检和生产，相干信号分析仪实现的测试自动化也变得日益重要。信号分析仪还支持测试均衡和相位恢复算法，并能够了解带宽限制的各种影响，而不管是在发射机、数字化器上、还是在接收机上。