测试相干光收发机:需要知道什么?

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