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高速光通信系统的组成及工作原理

时间：2011-12-31 22:27:12  来源： 打印本文

高速光通信系统的组成及工作原理

2005/7/13/10:20    高速光通信系统包括激光发射器,光纤和光探测接收器。每个部件都会对BER产生潜在的影响。因此需要有一种表征各个系统组件性能的方法,以便在整合成完整系统时,减少达不到预期性能的风险。 

    这类方法在测试SONET/SDH、千兆位以太网和光纤信道收发器时尤为重要。

    光发射器由直接调制激光器或输出到外部调制器的固定功率激光器组成。虽然BER测试能描述整个通信系统的总体性能,但很少用来表征高速光发射器的性能。测试发射器的策略是通过沿袭测试输出波形的形状和频谱而发展起来的。具体地说,包括光谱、调制带宽与频谱、眼图模板测试、消光比、以及平均功率测量。

    发射器的输出谱对长距离系统或单根光纤内含有多个波长的系统十分有用。色散是不同波长以各自的速度沿光纤传播时形成的,若信号的能量分布在较宽的波长范围内，则会产生脉冲扩展。由于脉冲随时间向外扩展,增加了系统接收器确定所接收的信号电平的难度,从而使BER性能变差。在单根光纤上多路复用几个发射器,而每个发射器使用不同波长的系统称为WDM系统。对这类系统,需精确管理每个发射器的中心波长,同时每个发射器的谱宽应尽可能地小,以减少邻近信道间的干扰。但在另一方面,其频谱要求不象短距离、单信道系统那样苛刻。

    测量中心波长与谱宽的基本工具是光谱分析仪(OSA)。该仪器能显示功率对波长的关系。中心波长位于1548.5nm,而最大边模位于1550.09nm,其强度比主模低45dB。当需要同时监测多个发射器时,也能使用OSA。波长计用来观察多个信号且其波长的精确度较高。

    高速度发射器的边沿速度要快，因此应具有较宽的调制带宽。该功能可用这样一类仪器来测定,该仪器向发射器提供正弦波电激励，同时测量发射器输出的调制光的幅度与相位。理想响应的输出信号与输入信号比值是恒定的。

    发射器的输出功率还具有随机起伏特性,一种称为相对强度噪声的不希望有的噪声机构。由于功率起伏的速率和幅度是随机的,它用幅度对频率的特性来表征。该参数用光波信号分析仪来测定,它基本上是一个带有光接收器前端的电气频谱分析仪。

    发射信号的形状对BER有明显的影响。考虑到接收器需在极短的时隙内确定信号的电平。几个参数会降低BER的性能,其中包括抖动、噪声、边沿速度,以及功率电平。抖动反映信号在时序上的不一致性。就接收器而言,数位比正常情况下早到或晚到都会提高出错的概率。噪声具有类似的影响,因为它会改变信号的电平。倘若边沿速度太慢,那末总不能达到最佳信号电平。要是信号因发射器不能输出适当的功率电平而过小,所有这些问题会变得更加严重。 

    示波器是测定波形的理想工具。它能详细观察信号的合成波形，而不在于考察数据流中各个位的特性。它是用眼图表示的。考虑由3位序列,000、001、…110和111全部组合的8个波形,如果在公共时间轴上画出所有波形就得到一个眼图。实际上,眼图是用增加示波器的余辉来构建的,这样只要它捕获到一个波形,不论是否捕获到新的波形,它总能保留在显示屏上。因此,随着捕获到的位数增加，他们全部相互地叠加在一起。

    理想的眼图应是在水平(时间)和垂直(幅度)两个方向上开口最大的信号。眼图开口定量化的最常用方法是模板测试。模板用来确定波形可能不存在的波形区域。请注意,眼图的中心有一个多边形,它实际上规定了最小可接受的水平开口和垂直开口。眼图上面多边形与下面多边形分别指示上过冲与下过冲。

    每当测量一个波形时,总要考虑测量系统的带宽。直接调制激光器通常有较大的过冲和振铃。宽带测量系统能显示这种效果,而窄带系统会掩盖此类现象。行业内的一致性测量要求有统一的测量系统。目前采用标准参考接收器,即光电探测器与示波器电通道的结合。接收器与示波器组合具有特定的频率响应,它是由委员会为通信系统制定的标准规定的。在多数场合,参考接收器的频率响应遵循4阶Bessel-Thomson低通滤波器特性，真3dB频率为数据速率的75%。按此推算,测量2.48832 Gbits/s SONET/SDH发射器的参考接收器应具有1.8662 GHz带宽。 

    这里要强调指出,在降低带宽后,带有明显过冲和振铃的发射器会显示出类似于图2那样简单的波形。因此,原本在宽带测量系统中通不过模板测试的波形能通过标准参考接收器的模板测试。这样的发射器能在完整的通信系统中正常工作吗?要是测试系统参考接收器的带宽与实际系统中的发射器配对的接收器接近的话,那末眼图反映出来的正是系统中接收器端的实际性能。 

    从眼图能得到几个关键的参数。抖动是通过分析信号在眼图交叉点横向扩展程度测定的。抖动的可接受程度与位率有关,通常应小于位率的1%。边沿速度是通过模板测试间接测定的。如果信号太小，眼图会与模板的多边形相交并使它变形。通常不允许扰乱波形模板。消光比是按眼图中心区逻辑“1”电平与逻辑“0”电平的比值测定的。该测量表示激光器的可使用输出功率转换为调制功率的效率。消光比指标通常在8.2～13dB(6.6～20)范围内,视应用而定。在现代数字通信分析仪中,抖动、模板测试、消光比、以及平均功率都是自动测量的。 

    一旦发射器的特性已经测定,且已超过最低可接受的性能,能保证整合后的系统有满意的BER吗?或许能。光纤链路存在一定的衰减量和色散。接收器应能接收被光纤严重衰减后的发射信号,且仍能准确地确定每个比特的电平。

    在光传输期间,各种物理效应很可能降低接收器的输入信号质量。这些效应涉及路由上的衰减,将信号质量降低至与噪声不可区分的程度;色散效应,使脉冲随时间向外扩展,甚至各个脉冲可能互相重叠。 

    光接收器的任务是判定原始脉冲究竟是“1”还是“0”。其很重要的任务是发现时间上一致的参考点,即位周期的中心点。该工作是由时钟恢复电路完成的。该电路产生的时钟与接收到的数据有严格的关系, 是判定时序的理想参考。判定电路在相对于新产生时钟信号的固定点拍摄输入信号的瞬时图形。该图形与该瞬时的阈值电压电平进行比较,如果输入信号高于阈值,则将它记作为“1”;若低于阈值则为“0”。电路给出的数据流应是在光纤另一端的光发射器原始数据的忠实复现。

    那么,还会发生什么样的错误呢?错误判定的原因是多方面的。例如,电压阈值设置太低,某些“0”电平加上路由上足够的Gaussian噪声后会高于阈值,这些“0”被错误地识别为“1”;类似地,阈值设置太高,某些“1”被错误地记作为“0”。如果判定点设置太早或太迟,同样会产生各种问题。这里的危险在于,电路不在位中心点采样,而是试图在过渡期间或接近过渡处进行判定。 

    其它一些因素也会影响正确地设置判定电压。要是时钟恢复电路引入的抖动过大,那末判定点在位周期内快速地、不可预测地移动。发射器或接收器电路设计不良造成的影响是不同的,与位序列有关。例如,101010一类图形具有较多高频成分,但图形中全“1”或全“0”的序列含有较多的低频成分。如果电路的高频性能或低频性能较差,这类图形在通过电路后则会产生畸变。这些畸变导致错误的判定,因此称为“图形相关的错误”。 

    通常用误码率测试仪(BERT)图形发生器、高质量光发射器、可变衰减器和功率计来测试接收器的BER。接收器的输出则反馈至BERT的误码检测器(参见图5)。对一个设计良好的接收器,输入功率处于设计输入范围的中心区通常是不成问题的,这里描叙的测试装置应在无错误条件下进行。 接收器性能的两个主要测量参数是在极低输入功率下的BER性能(“接收器灵敏度”)和高输入功率下的BER性能(“接收器过载”)。接收器灵敏度定义为误码率超过规定量前接收器所能接收的最低光输入功率。例如,可将灵敏度规定为BER是1×10-10时的最小输入功率。BER的测量是在无错误工作区开始的,然后用衰减器来减小输入信号电平,直到发生误码为止。接收器灵敏度的功率电平通常用相对于1mW的分贝数(dBm)给定。例如，对OC-48,接收器灵敏度在BER为1×10-10时是-24dBm。

    接收器过载可按类似方法测量，这时应增加接收器的输入功率直至达到规定的BER。同样,对OC-48接收器,过载在BER为1×10-10时可能是1dBm。在这两种场合，还要规定使用的测试图形。例如,对光纤信道及千兆位以太网,数据结构的较好近似是27-1伪随机二进序列(PRBS);而对SONET,对电路的数据结构的要求更高,通常用223-1,甚至231-1PRBS来仿真。 

    数据在时间上的不稳定性称为抖动。总体说来，发送位周期是不固定的。从数据提取接收器的时钟，有助于确保位是正确地接收的。为了验证时钟恢复电路能跟踪变化的数据率，还须进行抖动传输测量。在此测量中,让数据人为地在一定频率范围内抖动。这时,恢复时钟的抖动应能跟踪输入数据的抖动。最终,恢复时钟跟不上抖动的快速变化。画出恢复时钟抖动与输入数据抖动之比对抖动频率的关系,其形状通常与低通滤波器类似。确定接收器在多大的抖动下仍能保持良好的BER也是十分重要的。测试的方法是,连续地增加抖动幅度直到不能保持预定的BER。测试通常按几个抖动比完成,称之为抖动容限。 

    在设计光收发器时,一个值得关注的重要参数是串扰。通常,发射器中驱动激光器的电流比接收器中光电二极管的工作电流大几个数量级(或许是10mA与10mA之比)。屏蔽显然是十分重要的,即要良好的接地与电源去耦。串扰常用上面描述的接收器灵敏度测试装置测量。先关闭发射器,测量接收器灵敏度,再让发射器按实际使用方式工作,重新测量灵敏度。倘若有串扰,为了达到相同的BER性能,必须增加接收器的输入功率。两个灵敏度之差值用分贝表示,称为串扰功率补偿。就一个设计良好的收发器来说,功率补偿应忽略不计。对这里讨论的种种设计问题,BERT仪器中的高级误码分析技术是极有价值的工具,可让工程人员迅速找出故障的原因。 

    BER测试能进一步提速吗?收发器生产商确信能够提速。一个设计良好的收发器具有BER规定在1×10-10时的接收器灵敏度。为了测定此BER下的灵敏度,测试工程人员确定待测器件每接收百亿个数据产生一个误码的输入功率电平。对OC-3,接收百亿个数据要花费一分多钟时间。因此,仔细地调整功率来确定精确的灵敏度是十分费时的。

    生产商在实际生产过程中使用的是另一种方法,它在研发阶段让BER处于1×10-7至1×10-12范围内,测定接收器的灵敏度。假定灵敏度与功率之间有确定的关系且器件间是一致的,生产商可降低待测器件的输入功率,即在BER为1×10-7下测量接收器的灵敏度。此场合的测量速度比1×10-10下快得多,如对OC-3,测试时间将小于1秒。测试工程人员认定, 1×10-10测量结果应为1×10-17结果加上某些修正因子。这种近似方法对全面地表征和理解收发器设计是比较安全的。