(轉(zhuǎn)貼)SONETSDH千兆位以太網(wǎng)光纖信道收發(fā)器的測(cè)試

高速數(shù)字通信系統(tǒng),象任何通信系統(tǒng)一樣,在執(zhí)行預(yù)期任務(wù)的時(shí)候,接收端要正確地解釋被發(fā)送的信息。就最終的用戶而言，這就是要忠實(shí)地復(fù)現(xiàn)語音或圖像,或能準(zhǔn)確地傳送財(cái)務(wù)信息。從工程角度看，性能的定量化通常與實(shí)際被發(fā)送的信息無關(guān)。當(dāng)通信為數(shù)字格式時(shí),情況較為簡(jiǎn)單,所有發(fā)送的“1”應(yīng)接收為“1”;所有發(fā)送的“0”應(yīng)接收為“0”。數(shù)字格式可通過測(cè)量誤碼率(BER)進(jìn)行定量化,BER定義為錯(cuò)誤接收的位數(shù)量與接收到的位總量之比。
　　一個(gè)典型的高速光通信系統(tǒng)包括激光發(fā)射器,光纖和光探測(cè)接收器。每個(gè)部件都會(huì)對(duì)BER產(chǎn)生潛在的影響。因此需要有一種表征各個(gè)系統(tǒng)組件性能的方法,以便在整合成完整系統(tǒng)時(shí),減少達(dá)不到預(yù)期性能的風(fēng)險(xiǎn)。
　　這類方法在測(cè)試SONET/SDH、千兆位以太網(wǎng)和光纖信道收發(fā)器時(shí)尤為重要。
　　光發(fā)射器由直接調(diào)制激光器或輸出到外部調(diào)制器的固定功率激光器組成。雖然BER測(cè)試能描述整個(gè)通信系統(tǒng)的總體性能,但很少用來表征高速光發(fā)射器的性能。測(cè)試發(fā)射器的策略是通過沿襲測(cè)試輸出波形的形狀和頻譜而發(fā)展起來的。具體地說,包括光譜、調(diào)制帶寬與頻譜、眼圖模板測(cè)試、消光比、以及平均功率測(cè)量。
　　發(fā)射器的輸出譜對(duì)長(zhǎng)距離系統(tǒng)或單根光纖內(nèi)含有多個(gè)波長(zhǎng)的系統(tǒng)十分有用。色散是不同波長(zhǎng)以各自的速度沿光纖傳播時(shí)形成的,若信號(hào)的能量分布在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生脈沖擴(kuò)展。由于脈沖隨時(shí)間向外擴(kuò)展,增加了系統(tǒng)接收器確定所接收的信號(hào)電平的難度,從而使BER性能變差。在單根光纖上多路復(fù)用幾個(gè)發(fā)射器,而每個(gè)發(fā)射器使用不同波長(zhǎng)的系統(tǒng)稱為WDM系統(tǒng)。對(duì)這類系統(tǒng),需精確管理每個(gè)發(fā)射器的中心波長(zhǎng),同時(shí)每個(gè)發(fā)射器的譜寬應(yīng)盡可能地小,以減少鄰近信道間的干擾。但在另一方面,其頻譜要求不象短距離、單信道系統(tǒng)那樣苛刻。
　　測(cè)量中心波長(zhǎng)與譜寬的基本工具是光譜分析儀(OSA)。該儀器能顯示功率對(duì)波長(zhǎng)的關(guān)系。中心波長(zhǎng)位于1548.5nm,而最大邊模位于1550.09nm,其強(qiáng)度比主模低45dB。當(dāng)需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)發(fā)射器時(shí),也能使用OSA。波長(zhǎng)計(jì)用來觀察多個(gè)信號(hào)且其波長(zhǎng)的精確度較高。
　　高速度發(fā)射器的邊沿速度要快，因此應(yīng)具有較寬的調(diào)制帶寬。該功能可用這樣一類儀器來測(cè)定,該儀器向發(fā)射器提供正弦波電激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量發(fā)射器輸出的調(diào)制光的幅度與相位。理想響應(yīng)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)比值是恒定的。
　　發(fā)射器的輸出功率還具有隨機(jī)起伏特性,一種稱為相對(duì)強(qiáng)度噪聲的不希望有的噪聲機(jī)構(gòu)。由于功率起伏的速率和幅度是隨機(jī)的,它用幅度對(duì)頻率的特性來表征。該參數(shù)用光波信號(hào)分析儀來測(cè)定,它基本上是一個(gè)帶有光接收器前端的電氣頻譜分析儀。
　　發(fā)射信號(hào)的形狀對(duì)BER有明顯的影響。考慮到接收器需在極短的時(shí)隙內(nèi)確定信號(hào)的電平。幾個(gè)參數(shù)會(huì)降低BER的性能,其中包括抖動(dòng)、噪聲、邊沿速度,以及功率電平。抖動(dòng)反映信號(hào)在時(shí)序上的不一致性。就接收器而言,數(shù)位比正常情況下早到或晚到都會(huì)提高出錯(cuò)的概率。噪聲具有類似的影響,因?yàn)樗鼤?huì)改變信號(hào)的電平。倘若邊沿速度太慢,那末總不能達(dá)到最佳信號(hào)電平。要是信號(hào)因發(fā)射器不能輸出適當(dāng)?shù)墓β孰娖蕉^小,所有這些問題會(huì)變得更加嚴(yán)重。
　　示波器是測(cè)定波形的理想工具。它能詳細(xì)觀察信號(hào)的合成波形，而不在于考察數(shù)據(jù)流中各個(gè)位的特性。它是用眼圖表示的。考慮由3位序列,000、001、…110和111全部組合的8個(gè)波形,如果在公共時(shí)間軸上畫出所有波形就得到一個(gè)眼圖。實(shí)際上,眼圖是用增加示波器的余輝來構(gòu)建的,這樣只要它捕獲到一個(gè)波形,不論是否捕獲到新的波形,它總能保留在顯示屏上。因此,隨著捕獲到的位數(shù)增加，他們?nèi)肯嗷サ丿B加在一起。
　　理想的眼圖應(yīng)是在水平(時(shí)間)和垂直(幅度)兩個(gè)方向上開口最大的信號(hào)。眼圖開口定量化的最常用方法是模板測(cè)試。模板用來確定波形可能不存在的波形區(qū)域。請(qǐng)注意,眼圖的中心有一個(gè)多邊形,它實(shí)際上規(guī)定了最小可接受的水平開口和垂直開口。眼圖上面多邊形與下面多邊形分別指示上過沖與下過沖。
　　每當(dāng)測(cè)量一個(gè)波形時(shí),總要考慮測(cè)量系統(tǒng)的帶寬。直接調(diào)制激光器通常有較大的過沖和振鈴。寬帶測(cè)量系統(tǒng)能顯示這種效果,而窄帶系統(tǒng)會(huì)掩蓋此類現(xiàn)象。行業(yè)內(nèi)的一致性測(cè)量要求有統(tǒng)一的測(cè)量系統(tǒng)。目前采用標(biāo)準(zhǔn)參考接收器,即光電探測(cè)器與示波器電通道的結(jié)合。接收器與示波器組合具有特定的頻率響應(yīng),它是由委員會(huì)為通信系統(tǒng)制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。在多數(shù)場(chǎng)合,參考接收器的頻率響應(yīng)遵循4階Bessel-Thomson低通濾波器特性，真3dB頻率為數(shù)據(jù)速率的75%。按此推算,測(cè)量2.48832 Gbits/s SONET/SDH發(fā)射器的參考接收器應(yīng)具有1.8662 GHz帶寬。
　　這里要強(qiáng)調(diào)指出,在降低帶寬后,帶有明顯過沖和振鈴的發(fā)射器會(huì)顯示出類似于圖2那樣簡(jiǎn)單的波形。因此,原本在寬帶測(cè)量系統(tǒng)中通不過模板測(cè)試的波形能通過標(biāo)準(zhǔn)參考接收器的模板測(cè)試。這樣的發(fā)射器能在完整的通信系統(tǒng)中正常工作嗎?要是測(cè)試系統(tǒng)參考接收器的帶寬與實(shí)際系統(tǒng)中的發(fā)射器配對(duì)的接收器接近的話,那末眼圖反映出來的正是系統(tǒng)中接收器端的實(shí)際性能。
　　從眼圖能得到幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。抖動(dòng)是通過分析信號(hào)在眼圖交叉點(diǎn)橫向擴(kuò)展程度測(cè)定的。抖動(dòng)的可接受程度與位率有關(guān),通常應(yīng)小于位率的1%。邊沿速度是通過模板測(cè)試間接測(cè)定的。如果信號(hào)太小，眼圖會(huì)與模板的多邊形相交并使它變形。通常不允許擾亂波形模板。消光比是按眼圖中心區(qū)邏輯“1”電平與邏輯“0”電平的比值測(cè)定的。該測(cè)量表示激光器的可使用輸出功率轉(zhuǎn)換為調(diào)制功率的效率。消光比指標(biāo)通常在8.2～13dB(6.6～20)范圍內(nèi),視應(yīng)用而定。在現(xiàn)代數(shù)字通信分析儀中,抖動(dòng)、模板測(cè)試、消光比、以及平均功率都是自動(dòng)測(cè)量的。
　　一旦發(fā)射器的特性已經(jīng)測(cè)定,且已超過最低可接受的性能,能保證整合后的系統(tǒng)有滿意的BER嗎?或許能。光纖鏈路存在一定的衰減量和色散。接收器應(yīng)能接收被光纖嚴(yán)重衰減后的發(fā)射信號(hào),且仍能準(zhǔn)確地確定每個(gè)比特的電平。
　　光纖接收器通常由圖3所示的基本部件組成。在光傳輸期間,各種物理效應(yīng)很可能降低接收器的輸入信號(hào)質(zhì)量。這些效應(yīng)涉及路由上的衰減,將信號(hào)質(zhì)量降低至與噪聲不可區(qū)分的程度;色散效應(yīng),使脈沖隨時(shí)間向外擴(kuò)展,甚至各個(gè)脈沖可能互相重疊。
　　光接收器的任務(wù)是判定原始脈沖究竟是“1”還是“0”。其很重要的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)時(shí)間上一致的參考點(diǎn),即位周期的中心點(diǎn)。該工作是由時(shí)鐘恢復(fù)電路完成的。該電路產(chǎn)生的時(shí)鐘與接收到的數(shù)據(jù)有嚴(yán)格的關(guān)系, 是判定時(shí)序的理想?yún)⒖肌Ｅ卸娐吩谙鄬?duì)于新產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的固定點(diǎn)拍攝輸入信號(hào)的瞬時(shí)圖形。該圖形與該瞬時(shí)的閾值電壓電平進(jìn)行比較,如果輸入信號(hào)高于閾值,則將它記作為“1”;若低于閾值則為“0”。電路給出的數(shù)據(jù)流應(yīng)是在光纖另一端的光發(fā)射器原始數(shù)據(jù)的忠實(shí)復(fù)現(xiàn)。
　　那么,還會(huì)發(fā)生什么樣的錯(cuò)誤呢?錯(cuò)誤判定的原因是多方面的。例如,電壓閾值設(shè)置太低,某些“0”電平加上路由上足夠的Gaussian噪聲后會(huì)高于閾值,這些“0”被錯(cuò)誤地識(shí)別為“1”;類似地,閾值設(shè)置太高,某些“1”被錯(cuò)誤地記作為“0”。如果判定點(diǎn)設(shè)置太早或太遲,同樣會(huì)產(chǎn)生各種問題。這里的危險(xiǎn)在于,電路不在位中心點(diǎn)采樣,而是試圖在過渡期間或接近過渡處進(jìn)行判定。
　　其它一些因素也會(huì)影響正確地設(shè)置判定電壓。要是時(shí)鐘恢復(fù)電路引入的抖動(dòng)過大,那末判定點(diǎn)在位周期內(nèi)快速地、不可預(yù)測(cè)地移動(dòng)。發(fā)射器或接收器電路設(shè)計(jì)不良造成的影響是不同的,與位序列有關(guān)。例如,101010一類圖形具有較多高頻成分,但圖形中全“1”或全“0”的序列含有較多的低頻成分。如果電路的高頻性能或低頻性能較差,這類圖形在通過電路后則會(huì)產(chǎn)生畸變。這些畸變導(dǎo)致錯(cuò)誤的判定,因此稱為“圖形相關(guān)的錯(cuò)誤”。
　　通常用誤碼率測(cè)試儀(BERT)圖形發(fā)生器、高質(zhì)量光發(fā)射器、可變衰減器和功率計(jì)來測(cè)試接收器的BER。接收器的輸出則反饋至BERT的誤碼檢測(cè)器(參見圖5)。對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)良好的接收器,輸入功率處于設(shè)計(jì)輸入范圍的中心區(qū)通常是不成問題的,這里描敘的測(cè)試裝置應(yīng)在無錯(cuò)誤條件下進(jìn)行。　　接收器性能的兩個(gè)主要測(cè)量參數(shù)是在極低輸入功率下的BER性能(“接收器靈敏度”)和高輸入功率下的BER性能(“接收器過載”)。接收器靈敏度定義為誤碼率超過規(guī)定量前接收器所能接收的最低光輸入功率。例如,可將靈敏度規(guī)定為BER是1×10-10時(shí)的最小輸入功率。BER的測(cè)量是在無錯(cuò)誤工作區(qū)開始的,然后用衰減器來減小輸入信號(hào)電平,直到發(fā)生誤碼為止。接收器靈敏度的功率電平通常用相對(duì)于1mW的分貝數(shù)(dBm)給定。例如，對(duì)OC-48,接收器靈敏度在BER為1×10-10時(shí)是-24dBm。
　　接收器過載可按類似方法測(cè)量，這時(shí)應(yīng)增加接收器的輸入功率直至達(dá)到規(guī)定的BER。同樣,對(duì)OC-48接收器,過載在BER為1×10-10時(shí)可能是1dBm。在這兩種場(chǎng)合，還要規(guī)定使用的測(cè)試圖形。例如,對(duì)光纖信道及千兆位以太網(wǎng),數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的較好近似是27-1偽隨機(jī)二進(jìn)序列(PRBS);而對(duì)SONET,對(duì)電路的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的要求更高,通常用223-1,甚至231-1PRBS來仿真。
　　數(shù)據(jù)在時(shí)間上的不穩(wěn)定性稱為抖動(dòng)。總體說來，發(fā)送位周期是不固定的。從數(shù)據(jù)提取接收器的時(shí)鐘，有助于確保位是正確地接收的。為了驗(yàn)證時(shí)鐘恢復(fù)電路能跟蹤變化的數(shù)據(jù)率，還須進(jìn)行抖動(dòng)傳輸測(cè)量。在此測(cè)量中,讓數(shù)據(jù)人為地在一定頻率范圍內(nèi)抖動(dòng)。這時(shí),恢復(fù)時(shí)鐘的抖動(dòng)應(yīng)能跟蹤輸入數(shù)據(jù)的抖動(dòng)。最終,恢復(fù)時(shí)鐘跟不上抖動(dòng)的快速變化。畫出恢復(fù)時(shí)鐘抖動(dòng)與輸入數(shù)據(jù)抖動(dòng)之比對(duì)抖動(dòng)頻率的關(guān)系,其形狀通常與低通濾波器類似。確定接收器在多大的抖動(dòng)下仍能保持良好的BER也是十分重要的。測(cè)試的方法是,連續(xù)地增加抖動(dòng)幅度直到不能保持預(yù)定的BER。測(cè)試通常按幾個(gè)抖動(dòng)比完成,稱之為抖動(dòng)容限。
　　在設(shè)計(jì)光收發(fā)器時(shí),一個(gè)值得關(guān)注的重要參數(shù)是串?dāng)_。通常,發(fā)射器中驅(qū)動(dòng)激光器的電流比接收器中光電二極管的工作電流大幾個(gè)數(shù)量級(jí)(或許是10mA與10mA之比)。屏蔽顯然是十分重要的,即要良好的接地與電源去耦。串?dāng)_常用上面描述的接收器靈敏度測(cè)試裝置測(cè)量。先關(guān)閉發(fā)射器,測(cè)量接收器靈敏度,再讓發(fā)射器按實(shí)際使用方式工作,重新測(cè)量靈敏度。倘若有串?dāng)_,為了達(dá)到相同的BER性能,必須增加接收器的輸入功率。兩個(gè)靈敏度之差值用分貝表示,稱為串?dāng)_功率補(bǔ)償。就一個(gè)設(shè)計(jì)良好的收發(fā)器來說,功率補(bǔ)償應(yīng)忽略不計(jì)。對(duì)這里討論的種種設(shè)計(jì)問題,BERT儀器中的高級(jí)誤碼分析技術(shù)是極有價(jià)值的工具,可讓工程人員迅速找出故障的原因。
　　BER測(cè)試能進(jìn)一步提速嗎?收發(fā)器生產(chǎn)商確信能夠提速。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的收發(fā)器具有BER規(guī)定在1×10-10時(shí)的接收器靈敏度。為了測(cè)定此BER下的靈敏度,測(cè)試工程人員確定待測(cè)器件每接收百億個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)誤碼的輸入功率電平。對(duì)OC-3,接收百億個(gè)數(shù)據(jù)要花費(fèi)一分多鐘時(shí)間。因此,仔細(xì)地調(diào)整功率來確定精確的靈敏度是十分費(fèi)時(shí)的。
　　生產(chǎn)商在實(shí)際生產(chǎn)過程中使用的是另一種方法,它在研發(fā)階段讓BER處于1×10-7至1×10-12范圍內(nèi),測(cè)定接收器的靈敏度。假定靈敏度與功率之間有確定的關(guān)系且器件間是一致的,生產(chǎn)商可降低待測(cè)器件的輸入功率,即在BER為1×10-7下測(cè)量接收器的靈敏度。此場(chǎng)合的測(cè)量速度比1×10-10下快得多,如對(duì)OC-3,測(cè)試時(shí)間將小于1秒。測(cè)試工程人員認(rèn)定, 1×10-10測(cè)量結(jié)果應(yīng)為1×10-17結(jié)果加上某些修正因子。這種近似方法對(duì)全面地表征和理解收發(fā)器設(shè)計(jì)是比較安全的。