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作者: Dean Miles 隨著數(shù)據(jù)需求的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商一直在尋找新的方法來(lái)提高現(xiàn)有光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量。為了達(dá)到100Gb/s、400Gb/s、1Tb/s甚至更高的速度，復(fù)雜的調(diào)制格式變得非常流行。這些調(diào)制格式使得設(shè)計(jì)師選擇測(cè)試設(shè)備時(shí)面臨新的挑戰(zhàn)。 典型的相干光學(xué)采集系統(tǒng)由三個(gè)重要構(gòu)建模塊組成，它們是相干接收器、數(shù)字化儀(一般是示波器)，以及某種形式的算術(shù)處理模塊。諸如相干接收器帶寬或示波器采樣率等特定性能參數(shù)對(duì)測(cè)量的信號(hào)質(zhì)量有明顯的影響。然而，還有許多其它因素影響相干光學(xué)采集系統(tǒng)的選擇，它們雖然不是那么明顯，但在成功的測(cè)試系統(tǒng)中也發(fā)揮著同樣重要的作用。 實(shí)現(xiàn)低的誤差矢量幅度 低的誤差矢量幅度(EVM)和誤碼率(BER)對(duì)任何相干光學(xué)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是基本要求。有許多系統(tǒng)損傷和配置問(wèn)題會(huì)影響最終的光學(xué)EVM性能。 在光學(xué)調(diào)制分析儀(OMA)的接收器內(nèi)，EVM可能受到許多接收器問(wèn)題的影響，比如：IQ相位角度誤差，IQ增益失衡，IQ偏移誤差，以及XY極化偏移誤差。有關(guān)這些類(lèi)型誤差的好消息是，它們都可以精確測(cè)量，它們的影響可以在通常位于相干檢測(cè)之后的算術(shù)處理中通過(guò)校準(zhǔn)消除。OMA對(duì)EVM測(cè)量的主要影響也可以得到校正。 一旦收到信號(hào)后，下一步就是由多通道示波器在電信號(hào)路徑上進(jìn)行數(shù)字化。就示波器而言，有許多儀器因素會(huì)影響EVM，最基本的是示波器帶寬和采樣率。測(cè)試100G相干光學(xué)信號(hào)的大多數(shù)工程師使用4通道示波器，其帶寬在23GHz到33GHz范圍，采樣率在50GSs到100GS/s范圍。400G系統(tǒng)評(píng)估則要求使用70GHz帶寬、200GS/s采樣率的示波器。 假設(shè)使用了具有合適帶寬和采樣率的示波器，而且所有OMA損傷都通過(guò)算術(shù)方法得到了校正，那么最低可測(cè)EVM可歸結(jié)為示波器有效位數(shù)(ENOB)的函數(shù)。 EVM定義 IEC/TR 61282 101標(biāo)準(zhǔn)最近對(duì)EVM進(jìn)行了定義。本文中的EVM定義如下。誤差矢量被簡(jiǎn)單地認(rèn)為就是從實(shí)際測(cè)量符號(hào)指向該符號(hào)在信號(hào)星座圖中預(yù)期位置的矢量。“參考”或預(yù)期符號(hào)位置由調(diào)制類(lèi)型所定義，只是總體信號(hào)幅度除外。對(duì)于一組符號(hào)來(lái)說(shuō)，參考幅度被認(rèn)為是導(dǎo)致該組最小EVM的幅度。一旦確定了這個(gè)幅度，那么信號(hào)和參考符號(hào)都要被最大參考符號(hào)的幅度所除，以便得到歸一化的數(shù)據(jù)。 用這種方法歸一化數(shù)據(jù)具有將EVM表示為最大參考符號(hào)幅度小數(shù)的效果。這使得QPSK和QAM EVM之間的比較變得更加困難。許多無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)選擇使用均方根符號(hào)冪作為歸一化因子。隨著時(shí)間的推移，光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)也可能改用這種方法。正是由于這個(gè)原因，泰克OM4000軟件允許定制歸一化因子。默認(rèn)定義遵循TR標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)圖1)。 
圖1：TR標(biāo)準(zhǔn)。 這些考慮為表示為百分?jǐn)?shù)的EVM提供了以下公式，見(jiàn)等式1：其中EVM(n)是歸一化后的每個(gè)符號(hào)的誤差矢量幅度，N是組里的符號(hào)數(shù)量。如上所述，TR標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)由最大參考符號(hào)進(jìn)行歸一化。
公式 (1) EVM精度和可再現(xiàn)性 有多種因素會(huì)限制EVM的精度和可再現(xiàn)性，這些因素一般可分為系統(tǒng)性或隨機(jī)噪聲貢獻(xiàn)。系統(tǒng)性誤差主要是相干接收器不理想造成的。接收器的不理想特性包括I-Q相位誤差、I-Q幅度失配、偏移、串?dāng)_和頻率響應(yīng)。這些誤差可以在數(shù)據(jù)后處理中得到校正，但仍有殘留誤差，因?yàn)樵诓焕硐胩匦缘臏y(cè)量過(guò)程中存在某些不確定性。 隨機(jī)EVM噪聲貢獻(xiàn)是被最大符號(hào)幅度除后的以輸入為參考的均方根噪聲。因此增加信號(hào)功率可以減小這種隨機(jī)噪聲貢獻(xiàn)值，直到達(dá)到數(shù)字化儀動(dòng)態(tài)范圍極限。數(shù)字化儀瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍通常用有效位數(shù)或ENOB進(jìn)行測(cè)量。ENOB是理想的數(shù)字化儀具有與實(shí)際數(shù)字化儀相同噪聲電平所需的比特?cái)?shù)。如果不要求整個(gè)數(shù)字化儀帶寬，通常可以用數(shù)字低通濾波器來(lái)改善數(shù)字化儀的ENOB。因此，低的ENOB是獲得最低可能EVM的關(guān)鍵。 異步時(shí)間交織 交織對(duì)示波器來(lái)說(shuō)并不是什么新技術(shù)。一旦帶寬要求超過(guò)了商用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)元件的采樣率能力，就有必要尋找其它技術(shù)，以便利用現(xiàn)成元件滿(mǎn)足這些擴(kuò)展的要求，或設(shè)計(jì)新一代的ADC。LeCroy和Keysight公司的示波器都采用了頻率交織技術(shù)來(lái)擴(kuò)展帶寬，但這樣做的代價(jià)是增加了測(cè)量通道中的噪聲。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，由于頻率交織引起的信號(hào)保真度下降是個(gè)大問(wèn)題，因此，泰克選用了不同的方法。 頻率交織方法的局限性在于各種頻率范圍如何疊加在一起重構(gòu)最終的波形，這個(gè)步驟會(huì)降低噪聲性能。在傳統(tǒng)的頻率交織方案中，信號(hào)采集系統(tǒng)中的每個(gè)ADC只看到部分輸入頻譜。借助泰克獲得專(zhuān)利的ATI技術(shù)(見(jiàn)圖2)，所有ADC都能見(jiàn)到完整的頻譜，并且具有完整信號(hào)路徑的對(duì)稱(chēng)性。這樣不僅能從交織架構(gòu)中獲得帶寬性能增益，而且保持了信號(hào)的保真度，確保了最高可能的ENOB。
圖2：泰克專(zhuān)利性ATI架構(gòu)可以提供最低的噪聲。 對(duì)下一代400G和1Tb測(cè)試的未來(lái)保證 隨著技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)試要求的提高，在公司內(nèi)或機(jī)構(gòu)內(nèi)部從一個(gè)實(shí)驗(yàn)室或開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室或開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)重新部署儀器是很常見(jiàn)的事。需要重申的是，泰克ATI技術(shù)的模塊化特性在這方面就具有很顯著的優(yōu)勢(shì)。 系統(tǒng)很容易根據(jù)需要并通過(guò)分割和重新部署的多個(gè)單元按比例縮小到其它項(xiàng)目，從而最大程度地提高資本投資利用率。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)要求4個(gè)70GHz通道的項(xiàng)目完工時(shí)，實(shí)驗(yàn)室能夠輕松地將示波器重新部署到其它實(shí)驗(yàn)室。一個(gè)4單元的配置可以分成兩半形成兩個(gè)系統(tǒng)，或進(jìn)一步劃分為單個(gè)單元組成的獨(dú)立儀器，只需簡(jiǎn)單地去除UltraSync電纜即可，從而允許4個(gè)項(xiàng)目每個(gè)使用1臺(tái)儀器。
圖3：從100G測(cè)試到400G測(cè)試的轉(zhuǎn)移。 上述基于A(yíng)TI系統(tǒng)的雙極性400G系統(tǒng)是利用通過(guò)Ultra-Sync電纜連接到一個(gè)共用的12.5GHz采樣時(shí)鐘的4臺(tái)個(gè)獨(dú)立儀器搭建起來(lái)的。4臺(tái)儀器中每臺(tái)都可以用作完整的獨(dú)立示波器，不需要任何其它硬件。當(dāng)要將儀器從最初實(shí)驗(yàn)室重新部署到另外的實(shí)驗(yàn)室時(shí)這種方案提供了很大的靈活性。 其它多儀器示波器架構(gòu)會(huì)采用一臺(tái)主控儀器來(lái)控制多個(gè)采集儀。這種方法的缺點(diǎn)是，采集儀器不能被自己使用。在不投資額外控制硬件的條件下將這種系統(tǒng)分成多個(gè)獨(dú)立的示波器基本上是不可能的。 結(jié)論性評(píng)估的分析 測(cè)試與測(cè)量相干接收器一般都提供分析和可視化軟件。然而，對(duì)設(shè)計(jì)師或研究人員來(lái)說(shuō)，需要一種相干接收器制造商的軟件中不存在的特殊類(lèi)型的測(cè)量或可視化功能并不罕見(jiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，也許研究人員正在評(píng)估一種新的相位恢復(fù)算法的質(zhì)量。理想的光學(xué)調(diào)制分析軟件不僅提供用于測(cè)量的基本構(gòu)建模塊，而且支持完全定制化的信號(hào)處理。
圖4：自動(dòng)化測(cè)試可以通過(guò)連接到OUI或直接連接到MATLAB工作區(qū)實(shí)現(xiàn)。 比如泰克的OM1106軟件就為這些算法提供了完整的應(yīng)用編程接口(API)。使用這些API提供實(shí)質(zhì)性功能集的就是OM系列用戶(hù)接口(OUI)。OUI提供了完整的相干光學(xué)工具套件，允許任何用戶(hù)開(kāi)展對(duì)復(fù)雜調(diào)制光學(xué)信號(hào)的詳盡分析，不要求用戶(hù)掌握MATLAB、分析算法或軟件編程方面的任何知識(shí)。 |
