使用光取样方法鉴定高级调制格式

 

 

 

随着带宽需求的增长和光纤可用性的降低，运营商和设备制造商只能求助于高速光传输系统来增加网络容量。然而，传统的每符号 1 比特的调制方案（如 OOK 或 DPSK）的光谱效率较低，无法显著增大光纤总体数据承载容量。此外，如果向上扩展到高得多的传输速率，这些传统调制格式会变得对色度色散 (CD) 和偏振模色散 (PMD) 非常敏感，导致它们不可用于现有网络。著名的光网络互连论坛 (OIF) 已建议：100 Gbit/s 系统使用完全相干的每符号 4 比特 DP-QPSK（双偏振正交相移键控）调制格式，因为该调制格式既有较高的光谱效率，又对 CD 和 PMD 具有很高的弹性（与适合的信号处理算法结合时）。此外，作为调制方式的长期演进方向，16-QAM 和 OFDM 正在被业界所关注。

调制格式的这些重大变革给设备制造商带来了巨大挑战，最终也为运营商提出了很高的要求；这是因为传统测试仪器和方法只对光信号随时间变化的强度敏感，而对光信号的相位不敏感，从而无法正确解调这些调制信号。因此，除了著名的眼图分析（提供 OOK 信号的强度和时间信息）外，还必须执行新的检测来获得相位信息，这就是星座图分析。

可以使用不同仪器完整且正确地揭示对于这些高级调制方式（如 QPSK、16-QAM 或其双偏振调制方式）非常关键的强度和相位信息：高分辨率光谱分析仪 (OSA)、基于实时电取样示波器的调制分析仪，以及基于光取样的调制分析仪。每种方法都有其优点和缺点，因此，在鉴定高速发射机时，了解影响星座图恢复和测量质量的关键因素就非常重要。

测量方法

一种揭示信号强度和相位信息的方法是采用高分辨率光谱分析仪。这种先进仪器采用本地振荡器进行相干解调来揭示信号的振幅和相位信息。然后使用快速傅里叶变换 (FFT) 将强度和相位与频率关系信息转换到时域。然而，这种方法有严重缺陷，包括无法捕获长序列数据或从 OTU-4 成帧数据恢复信息。

第二种方法（并且可能是最明显的方法）是使用实时电取样示波器（即用电子器件对光信号取样）以码元速率进行数据采样，这和相干接收机相似。该方法能够在星座图上生成非常准确的符号位置信息，并且能够获得 BER。然而，由于高速电子器件带宽有限，以及存在阻抗失配问题，准确的信息转换，无失真的波形恢复变的不太可能。

最后，一种替代方法是采用基于光取样（即用光对光信号进行鉴定）的调制分析仪。该方法使用短激光脉冲作为频闪仪来高效打开取样开关，从而生成能量与输入信号成正比的取样。然后由低速电子器件检测这些取样。这种频闪仪光取样方法的主要优点是有效带宽非常大（由于其时间分辨率高）并且不存在阻抗失配，从而能够对超过 60 Gbaud 的被测信号进行无失真波形恢复。光取样示波器和调制分析仪的有效带宽通常是电取样的 5 到 10 倍。

图 1. 电取样技术与光取样技术

经电取样的波形会受到仪器影响，而经光取样的波形则能提供真实形状。

图 2. 电取样和光取样的波形恢复比较

测量符合目标

设计发射机或传输系统时，目标总是相同的：以尽可能小的带宽尽可能快地发送尽可能多的数据，并确保在另一端可以无差错地接收。多个参数将影响发射机和传输系统的性能，因此执行适当的优化和验证至关重要。

目前为止，对于常规调制方式（比如 NRZ、DPSK）的传输系统，有眼图分析功能的示波器已经够用。使用这些仪器能够获得眼张开度、信噪比 (SNR)、偏移、消光比、上升/下降时间和抖动等测量结果。

利用相干传输的高级调制格式要求相似的分析，因为信息不仅包括在信号的强度中，而且包括在其相位中，因此需要星座分析仪来测量发射机和系统。这就需要新的测量参数，如 I-Q 不均衡和误差向量幅度 (EVM)（它们反映了所测星座与理想星座的偏差、以及相位或强度误差），这些指标对于调制器或脉冲发生器的调谐非常关键。如果使用双偏振传输，还需要确定并测量两种偏振之间的变化，因为它们可能指示发射机或者均衡器设计中存在的一些问题。

在系统级，通常用来评估性能的一个最重要参数就是 BER。如果传输良好并且 BER 低，则没有必要进行故障排除。但是，高 BER 值会带来以下重要问题：假使 BER 增大到系统无法完全矫正误码的时候，情况会怎么样？除了揭示系统不工作之外，还可以从 BER 获得哪些信息？

这时就必须依靠能够无失真波形恢复和精确转换信息的测试仪器，使工程人员能够确定造成问题的原因，如不同偏振之间的串扰、色散、信噪比等。

图 3. 星座图显示较小的色度色散影响

图 4. 较差 SNR 对星座图的影响

使用调制分析仪测量误码率

如上所述，在任何传输系统上，BER 都是一项要执行的重要测试。使用调制分析仪执行该测试时，无论是基于实时电取样还是光取样，都必须考虑一个十分重要的限制。

在足够长的时间段内（如超过数秒），只有很少百分比的符号被真正取样。取样要么处于短占空比的“突发模式”（实时电取样中常见的情况），要么处于欠取样方式（如采用光取样中的“等效时间”）。实际上，在每个取样周期中，数据传输和处理占据了大部分时间，即占周期的 95% 和 99%，具体取决于测试仪器的取样方法和处理能力。

图 5. 实时电取样和光等效时间取样的取样占空比。

这种短占空比的结果比较简单。只有在误码具有正态统计分布的情况下，使用调制分析仪估计的 BER 才有效。没有一种取样方式能够测出毛刺，但是这些毛刺往往会产生一些误码。为了“捕获”这些短的误码突发，需要使用真正的实时取样设备（如接收机）。

另一个使用调制分析仪获得 BER 的问题是硬件。由于调制分析仪通常采用与客户系统中的实际接收机不同的接收机前端，我们需要确定用该分析仪测量得到的 BER 是否代表了使用客户接收机所获得的真实 BER，这个问题的答案不但取决于测量仪器的质量也取决于客户接收机的质量。

从这个角度来看，使用调制分析仪估计得出的 BER 只能用作传输质量的一般性指示，因此当然不能完全证实系统是否最优，是否能够提供最好的性能。

光等效时间取样的优点

基于光取样的调制分析仪（如 EXFO 的 PSO-200）提供用于鉴定和优化 40/100 Gbit/s（及更高速率）以太网发送器和系统的许多重要功能：

• 数皮秒范围内的高时间分辨率
• 极低的固有定时抖动和相位噪声
• 因为采用光取样，不存在高速电子器件造成的阻抗失配，并且只需低速电子器件
• 有效带宽足够高，允许鉴定高达 100 Gbaud 的信号

这些仪器不仅可以提供与实时电取样方法相似的信息和测量结果，还可以获得非常精确和清晰的星座图，包括适合当前和未来调制方式、传输速率的转换信息和无失真的波形恢复。本质上，采用这种方式捕获的波形是未受到测试仪器损害的真实光学波形。因此光调制分析仪可被视为能够充当行业基准和通用标准的“黄金测试仪器”。