光学测量仪器基础
光学测量涉及一大类仪器，为了让博客内容比较的完整，简单的整理一下光学测量仪器的一些分类和基础知识。
光学测量的被测件可按图1进行分类，主要分为3类：有源器件，无源器件，高速通信。有源器件主要有：调制器，发送器，接收机，放大器，MUX/DEMUX，光电和电光转换器，以及激光源。无源器件主要有：滤波器，光纤，光连接器，光分路器，光衰减器。高速通信主要有：40G/100G光通信，广播电视通信，光纤接入，4G通信，光纤无线电等。
光学测量被测件分类
按照公司的光学测量产品分类，分为3类：通用光学参数测试类仪器，光电/偏振/复杂调制类仪器，比特误码率和波形分析类仪器。
通用光学参数测试类仪器主要有：可调谐和大功率激光源，光功率计，回波损耗测试仪，光衰减器，光开关，多波长计，光谱分析仪。
&&&&光电/偏振/复杂调制类仪器主要有：光波元器件分析仪/光色散和损耗分析仪，偏振分析仪和控制器，光调制分析仪，任意波形发生器，光/电和电/光转换器。
&&&&比特误码率和波形分析类仪器主要有：串行/并行误码仪，光示波器和模块。
光学仪器的典型特征
1）可调谐激光源：指的是波长可调的激光源，一般覆盖1260nm到1640nm的波长范围，支持高动态范围的低光源自发辐射（SSE）输出，具有高波长精度的内置波长计，支持较快速的扫描（如80nm/s)，扫描时保证精度。
&&&&光源自发辐射
指可调激光源激光二极管内所有自发辐射的总数，等于单色激光线加上宽带光输出。这种辐射会增加可调激光源的本底噪声，从而限制测量动态范围。
&2）大功率激光源：指的是可输出多种固定波长的大功率激光源，一般支持1310nm，1490nm，1510nm,1550nm,1625nm波长，波长微调范围+-500pm，输出功率一般高达20mW。
大功率激光源可应用于PON器件的IL和PDL测试，以及激励响应测量；光纤跳线、耦合器和连接器的稳定性测试等。
3）光功率计：&指的是测量光功率的仪器或模块，要求覆盖较宽的波长范围（如：450nm---1800nm），宽动态范围，高灵敏度，也可支持大功率测量，或多通道测试。
&4）回波损耗测试仪：指的是用于光接口回波损耗测试的仪器或模块，要求宽动态范围（如：75dB)，支持内置激光源或外部激光源。
5）光衰减器：用于收发信机和接收机测试的关键附件，需要具备低插入损耗（如0.7dB),较好的波长平坦度，宽波长覆盖范围，高衰减分辨率（如0.001dB)等。
6）光开关：需要具备较好的可重复性，额定使用寿命一般要超过10000次随机切换，要求低插入损耗和偏振相关性，单模或多模，可支持单1x4、双1x4和单1x13等。
7）多波长计：用于测量输入信号的波长和功率，一般能够精确轻松地区分和测量多达1000个离散波长，同时测量各个离散波长的单个功率。可测试：1至1000个波长（单位：nm/THz或波数）和功率（单位：dBm/mW或uW)，平均波长和总功率，波长精度高（+-0.2ppm)，波长分辨率高（5GHz)，要能够针对空气或真空中测量进行校准，要能够测量WDM
SONET/SDH系统的OSNR和平均OSNR，要结构坚固耐用，能够承受较强的冲击和振动。
8）光谱分析仪：用于测量发光体的辐射光谱的仪器。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器，而新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器，调制光谱仪是非空间分光的，它采用圆孔进光根据色散组件的分光原理。光谱仪器可分为:棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。光谱分析仪的性能指标关注：波长范围（一般600nm---1750nm)精度（如+-20pm)和分辨率（RBW带宽，一般0.03---1nm），动态范围（一般60dB),扫描速度（如200ms)，最大输入光功率（如+23dBm)。
9）光波元器件分析仪：用于测试光器件S参数的仪器，由矢量网络分析仪（PNA和ENA都可支持）和光电测试座组成。需要内置光功率计，可测试发射机的功率，也可监视设置用户选择的光发射机输出功率。
10）光色散和损耗分析仪：用于测试光器件色散和损耗等参数的仪器，由网络分析仪和光电测试座，以及可调谐激光源组成。通过具有偏振分辨能力的快速波长扫描测量，对光色散和插入损耗进行全面分析，可以同时测量色散
(CD) 和群时延、偏振模色散 (PMD) 和 DGD、插入损耗 (IL)、偏振相关损耗 (PDL)
以及光长度和相位。主要用于：网络设备的设计和生产、特别是10 Gb/s和40
Gb/s传输设备；光纤制造、特别是当今用于CWDM系统的全频光纤；用于高速传输系统的色散补偿模块、光纤及DWDM滤波器的设计和生产。
11）偏振分析仪和控制器：偏振分析仪全面分析光信号偏振特性的仪器，这包括 Poincar&球 (Stokes 参数 ) 上偏振态
(SOP) 的表示。内置算法和内置校准数据确保了在极宽波长范围内的高精度测试。凭借其实时测量能力 (1
MSa/s)，可适用于受扰和波动信号的分析，以及要求实时反馈偏振信息的控制应用。
偏振控制器采用了高速固态光器件，可以快速转换输入信号的偏振。它们接收激光器发射的偏振输入信号，能够对偏振的输出状态进行调整、扫描或校准。
12）光调制分析仪：对 40/100G
及以上传输系统的幅度和相位调制光信号进行全面测量和分析的仪器，由光解调测试座，宽带示波器和89601B矢量信号分析软件组成。分析方法类似于无线通信信号的分析，一般分析星座图，矢量幅度误差（EVM），相位误差，正交误差，IQ不平衡，I和Q眼图，物理层BER等。
&&&&13）其他仪器，如误码仪、光示波器、任意波形发生器等都是通用测试仪器。
光学仪器的典型应用
1.扫描波长光学测量解决方案
图2&& 扫描波长测量
插入损耗 (IL)
结合使用一个或多个光功率计与可调激光源 (TLS)，可以支持光功率与波长关系测量。此类测量常用于确定
被测器件输入功率与输出功率的比值，比值称为插入损耗，单位为 dB。当 TLS 在选中范围内调谐波长时，功率
计将定时采样指定数量测量点的功率。通过一个触发信号与 TLS 扫描同步，这些样本能够实现与对应波长的精
确相关。使用多个功率计可以同时测量多端口器件 (例如多路复用器、功率分离器和波长开关) 的输出。使用
81600B、81940A 或 81980A TLS，以及功率计 (例如 816x 系列模块或多端口 N7744A 和 N7745A)
和免费的 N7700A IL 软件，可以组成一个测量系统。这些“波长扫描”例程的编程过程非常简单，可以使用免费的 816x
即插即用驱动程序，并应用 N4150A 光基础程序库 (PFL) 的测量功能进行增强。该测量装置在 TLS 后与 81610A
回波损耗模块连接，还可以测量光反射 (回波损耗)。
这些激光源中内置波长监测功能，可以确保高波长精度和可重复性，特别是在快速波长扫描的过程中。这
些“波长记录”数据利用测量触发信号实现与功率计的同步。如果需要更高的绝对波长精度，可通过气体参考
信号进行偏置校准，PFL 支持工程师方便地完成校准操作。InGaAs 功率检测器在单模光纤波长范围 (
nm) 内具有极小的响应度变化以及高灵敏度和宽动态范围，是进行此类测量的最佳工具。N7744A 和 N7745A 功
率计特别适合这些扫描波长测量: 快速采样率和宽信号带宽可在高速扫描时获得高分辨率的测量结果，而且测量
迹线没有失真。更快的数据传输速度可以极大提高吞吐量，尤其适合端口数量极多的情况。
如果插入损耗在某些波长条件下较低，在另一些波长条件下较高 (高动态范围)，例如 DWDM 器件，那么
TLS的宽带自发辐射必须非常低，以避免当 TLS 波长超出该频段时，器件的通带中存在发射光。81600B TLS
提供具有极低光源自发辐射 (SSE) 的光，特别适用于动态范围大于 40-50 dB
的器件。功率计的动态范围也非常重要。在多个功率范围内进行测量并“缝合”结果迹线可以捕获最强和最弱的信号，从而扩展动态范围。816x
P&P 也可以提供这种缝合功能。
偏振相关损耗
实际光信号通常带有偏振，必须确定偏振相关的插入损耗变化:
包括确定在所有预定波长、所有线性和圆偏振组合条件下，最大和最小插入损耗与偏振的关系。这可以通过测量一组四个 (也可选择六个)
偏振上的扫描波长 IL (从中可以计算出任何其他 IL) 来实现。该方法称为米勒矩阵 (Mueller Matrix)
法。测量装置包括一个位于TLS 后面的偏振控制器，可将光偏振输入被测件: 8169A偏振控制器在 PFL
软件的支持下，连续输入每个偏振，进行独立的 TLS 扫描。N7786B 能够快速进行偏振开关切换，并监测 SOP
和功率，甚至可在单次波长扫描过程中测得 PDL。N7700A PDL 软件例程可以使用这种创新方法进行测量和计算，例如分辨 TE/TM
光谱和确定偏振相关波长。
色散 (PMD 和
高数据速率条件下，例如 10 Gb/s 及以上，信号不同部分通过网络的时间不完全一致，因而会导致数据脉
冲展宽。这种时间，即群时延 (GD) 上的变化称为色散。GD 与偏振的相关性称为偏振模色散 (PMD)，使用差分
群时延 (DGD) — 即器件中最快偏振与最慢偏振的 GD 差— 来描述。测量一组偏振上的扫描波长也可以执行测
量，但需要使用偏振分析仪作为接收机。该方法称为琼斯矩阵本征分析法 (Jones Matrix Eigenanalysis)，结合使用
N7788B 器件分析仪和 TLS 可以实现此类测量。该系统可测量单通道 DGD、PDL、IL，而 N7700A
Polarization Navigator 软件可通过单次波长扫描测量其他高级参数，实现最佳的稳定性和速度。最后，色散 (CD)
是描述 GD 本身与波长之间关系的变量，是光纤特别是波长选择器件的重要特性。要以高精度和足够的波长分辨率测量该特性，可以采用调制相移
(MPS) 法实现。该方法将会对TLS 信号进行幅度调制，并会确定信号在经过器件时其相移与波长的关系变化。86038B
光色散与损耗分析仪使用增强型 MPS 偏振相关实施，频率在 10 MHz 与 2.5 GHz
之间可调，以便优化波长分辨率和精度。此类装置可以测量GD、CD、DGD、PDL、IL 和其他参数的光谱。
2.瞬时功率测量
使用多端口光功率计进行瞬时功率测量&&&
通过测量光功率电平变化以确定光纤切换时间，从而观察光纤移动或网络重新配置所带来的瞬时波动，这
已经超出了大多数光功率计的设计功能。这些传统光功率计通常仅用于对光功率电平 (常数或与其他仪器同步变
化) 进行校准测量。传统仪表的典型采样率 (约 10 kHz)、数据容量 (约 100,000 个样本)
以及到控制器的数据传输速度往往不足以支持此类时间相关应用。另外一些方法，例如结合了示波器的快速光电转换器，已经在实际中得到应用，并在部分标准中得以采用。然而，这些方法往往以光功率校准为代价，需要额外的整合，并且对示波器带宽提出了额外的要求。
&&& 现在，N7744A 4
端口和 N7745A 8
端口光功率计通过一个小巧完整的可编程仪器，并配合控制器计算机，可以轻松进行这些测量。这些新型功率计能够以高达每秒百万次的可选采样率精确记录光功率，每端口存储高达
200 万个样本，通过 USB 或 LAN 快速传输数据，支持同时进行测量和数据传输，实现不间断的持续功率监测。
新型 N7747A 和 N7748A
高灵敏度功率计可以用于相同的目的，区别在于较低的带宽将采样速率降低至万次/秒，但能够提供更低的噪声，适用于弱信号测量。
记录功能基础&&&
使用光功率计的记录功能，可以非常容易地对时间相关信号进行测量。工程师可通过选择记录采样数 N 和
每个样本的平均时间 t 来设置记录功能，然后使用编程命令或电触发信号来启动测量。经过配置的光功率计可
在触发后测量 N 个样本或单独样本，并记录所有测量结果。为了记录时间相关性，通常将测量配置为在整个时
间段 Nt 中不间断地记录所有样本。
图3&& 瞬时功率测量
为了保持完整性，仪器还提供了一个稳定性功能。该功能具有相同的执行方式，但在样本之间有一个可编
程的驻留时间。这非常适用于测量功率计的长期变化，类似于信号源稳定性测试，但本文不做进一步探讨。N7744A 和 N7745A
多端口功率计 (MPPM) 可同时对最多 8 条光纤上的信号进行这种记录。平均时间的可选范围为 1 μs 至 10 s，最大采样数为
100 万样本。记录过程中，仪器可以记录超过 60 dB 的宽动态范围，平均时
间为 100 μs 或 100 μs 以上，可选择的最大功率范围为 -30dBm 至 +10 dBm (10 dB 步进)。MPPM
经过配置后，也可在前一个测量结束后启动针对 N
个样本的新一次记录测量。在进行新测量的同时，功率计可以将现有的结果上载到控制器计算机中。这几种功能提供了两种瞬时测量方法，分别称为触发记录法和连续记录法。
触发记录用于测量从选件选定时间开始，或从电信号开始的固定数量样本，以便与被测事件进行同步。如果事件时间也可控，适合使用触发记录法来设置开关或快门，改变衰减器，或将输入信号阻塞到放大器或ROADM
(可重新配置的加减多路复用器)。由于每端口可存储 100 万个样本，因此单次记录测量通常已经足够。
仪器具有多个端口，因而可以在重新配置期间轻松地查看开关的所有输出端口。使用这种方法，可以完成 IEC标准
中描述的类似测量，包括光放大器的开关时间、颤动 (bounce)
时间或瞬时表征。连续记录最适合记录时间不可预期的事件，或是保留数量极大的样本。IEC
中描述的瞬时损耗测量是一个典型应用，目的是监测机械故障引发的光纤信号功率变化。这种方法可以借助上面提及的相同记录功能进行编程，但扩展特性是可以多次重复使用记录顺序。使用多线程编程可以在采集数据的同时进行此类实时处理，以避免中断数据流。Agilent
VEE 9.0 和更高版本现已提供这一功能。
3.光电器件的波长和偏振相关特性表征
越来越多的光纤器件与具有无源光功能和电子电路的二极管整合。重要的实例包括:
&&& ●
集成相干接收机
&&& ● DPSK
&&& ●
光通道监视器
上述设备都包含光输入端口和电或射频输出端口。光信号通过二极管的无源部分后，例如偏振镜、分离器
或干涉仪，二极管将生成光电流。二极管对输入信号的响应度 (mA/mW 单位) 取决于波长和偏振，而响应度是器
件的基础性能参数。此类器件测量方法与PDL 测量相同，区别在于使用光电流记录设备取代光功率计。N IL/PDL
引擎软件支持该设置。
通过波长扫描测量输入光信号功率和输出二极管电流，计算偏振平均值和状态可以获得响应度。
&&& 这也将确定 SOP
的最大和最小响应度，以帮助偏振ICR 等器件，获得偏振多路复用信号。偏振相关也可以显示为 PDL，同是计算 TE/TM
迹线，以用于光光测量。
对于平衡探测器件，还可以确定探测器对的共模抑制比 (CMRR)。N
软件能够通过额外的测量步骤，即持续扫描一组固定波长点的大量
SOP，来提供更丰富的功能。用户可以选择测量点的数目，以平和测量时间与分辨率。测量可以达到 20 dB 以上的极高精度。
如果需要将光电流转变为射频输出信号，例如 ICR等器件，应用偏置电压通常可以测量“CW”光电流。
如果需要确保偏振和隔离偏置的灵活度，推荐使用 B2900A 系列电源测量单元。
PDL 和 PER
全态方法&&&
对被测器件所有的可能状态进行大量采样并扫描被测器件的光输入偏振，该方法称为偏振相关损耗全态
PDL 测量法。该方法适用于测量低波长相关器件，可以在扫描期间固定波长。光纤耦合器、分离器和隔离器都
是应用上述方法的典型器件。测试偏振光束分离器和其它高 PER 器件也可以应用上述方法，因为该方法会采样
具有高偏振消光的状态。
通常，监测输出光功率同时扫描输入偏振可以执行此类测量，因此测量精度将取决于仪器的偏振相关性，
尤其偏振控制器。借助光纤环路的机械移动可以大幅降低功率电平的偏振相关度，但会限制测量速度。
&&&&N7785B
同步扰码器可支持快速精确的测量。该设备经过编程可以提供贯穿一系列偏振状态的高速可重复步进，同时生成同步触发。N7785B
可以缩短测量时间，支持最佳的探测器平均时间，并标准化测量结果，移除设置的偏振相关。
图4&& 同步全态测量的典型设置
&&& 测量高达 1 dB
的 PDL 值时，100 个采样足以支持最小值/最大值比例在 PDL 值的 10% 范围。因此，使
用 100 μs 平均时间可以在 50 ms 内完成有效测量。测量远低于 0.1 dB 的 PDL
值时，噪声将对性能产生限制，并且需要更长的求平均时间。使用稳定装置的 10 ms 平均时间可以提供 10 分钟或更长时间内低于
0.005 dB 的重复性。10 ms 平均时间也支持使用激光源的控制功能，以避免由于装置本身反射导致的干扰效应。同样，使用约 100
个采样可以保证上述有效的测量。
高消光比测量范围等同于最低传输值。使用随机SOP 码型时，应用众多样本和样本平均时间内最小 SOP
变化可以改善上述测量，因为偏振开关相对于连续扫描有一定的优势。要确保 30 dB PER 以上的测量，推荐使用2
万或以上的样本。例如，使用 100 μs 求平均时间，2 万个样本序列需要 8 秒时间。
4.相干发射机和调制器测试
发射机信号完整性表征
&&&●
发射机信号性能验证
&& ● 验证最佳调整偏置电路和偏移
&& ● 发射机厂商资格验证
&& ● 制造过程最终的合格 / 不合格测试
&& ● 用于提供最佳信号保真度的发射机部件评测
图5& 发射机信号完整性表征
零差部件表征
&& ● 部件评测和载波激光器相位噪声相互独立
&& ● 系统中的调制器认证
&& ● 调制器应用验证
&& ● 通过先进调试来检测潜在的发射机问题
图6&& 零差部件表征
&& ● 经济高效的调制器评测
&& ● 经济高效的调制器驱动程序评测
&& ● IQ 调制器应用软件的最终标准测试
&& ● 使用零差测试设置来评测相位噪声的影响
图7& 部件评测
主要测试内容：
光星座图&&&
在星座图中，信号信息仅在符码时间的中段显示。由此显示了接收机在确定已发射数据时的时间戳。这些
点通常称为探测决定点，也可被称为数字符码。星座图有助于识别幅度失衡、政教误差或相位噪声等。当基于统计数据计算 BER 时，需要像基于
Q 因数的BER 计算一样，使用高斯噪声失真。彩色编码显示选件可以快速显示基于噪声统计的 BER
计算要求是否得到满足。对于复杂的调制信号，统计 BER 是根据 EVM 计算而得出。
&&& 符码表
误差概述&&&
结果表是矢量分析软件的一个重要工具。借助这些标量参数，能全面地分析发射机质量，并找出在相干光发射机中最有可能的误差源。
&&& 下表简要描述了这些参数
&&& ● EVM
用于检查整体发射机信号失真，包含噪声
&&& ● I-Q
偏置用于检查发射机调整
&&& ●
正交误差用于验证在发射机调制器中的 90° 偏置点调整
&&& ● 发射机 I 和 Q
信号路径的增益失衡 ( 未显示 )
&&& ● 基于信噪比的 EVM
极限测试&&&
误差矢量幅度 (EVM) 是一种标量，通过计算一个数据记录脉冲中所有已测符码的误差矢量 rms 值而得出。
性能良好的发射机会在所有符码中显示类似于白噪声的误差矢量分布。极限测试功能可以检测任何与客户定义
数值不一致的地方，并以不同颜色在屏幕上突出显示，如左图所示。此外，该软件还提供不合格测试指示。在
制造过程中，通过易于使用的 SCPI 软件界面，可以控制和查询测试结果。
的深入研究
是一种非常复杂的调制机制，它不但要分配随时间变化的连续矢量信息，还要分配随频率变化的可定制的子载波数。每个子载波都可采用不同的调制机制。此外，在大多数情况下，为了实现同步还需要检测出导
频音。采用这种客户可定制的 OFDM 解码器，几乎可以设置所有种类的数字 ODFM 信号的变种，并可在接下来
采用各种方式进行检测和分析。以下是一些示例。
误差汇总&&&
OFDM 解码器除了可提供各种图形分析工具，如星座图和符码的 EVM，它还有一个详细的相关误差统计的
误差表。该功能使其能够指定发射机输出或链路上的一个或多个 OFDM 信号质量参数，这可能有助于评测发射
机和链路的性能。
图8& OFDM误差汇总
符码的 EVM
&&& 在 QPSK 或
M-QAM 等信号中，每个载波的 EVM
(%rms)值都可进行计算，并沿水平轴进行显示。它可指示出所有载波的调制质量。条形图可以描述该载波中每个符码的误差矢量，并因此为误差符码的分布提供更多信息。
OFDM 高分辨率频谱
信号是一组在频域中间隔非常紧密的正交载波，如果信号非常良好，它的频谱将显示为矩形。此外，
ODFM 信号还常常以不同的功率电平携载导频和同步信息。通过高分辨率的频谱显示，在对 OFDM 信号进行定
量分析的同时，还能使用其它分析工具。
5.复杂调制传输中的损伤分析
在描述复杂调制信号的质量时 , 需要使用多个参数。
增益失衡：增益失衡比较了 I 信号和 Q 信号的增益，以 dB 表示。在星座图中，能够很好地查看
IQ 增益失衡的效应 ( 星座图的宽度与高度不匹配 )。
正交误差：正交误差是指 I 和 Q 正交相位之间的正交误差。理想情况下，I 和 Q 应当互为正交 (
呈 90°)。正交误差为-3°，意味着 I 和 Q 呈 87°。
频率误差：频率误差显示了载波相对于本地振荡器的频率误差。误差数据以Hertz
表示，反映了仪器在接收载波锁定时必须执行的频率偏移数量。
频率误差不会影响误差矢量幅度测量。
IQ 偏置：IQ 偏置 ( 也称为 I/Q 原点偏移
)表示载波馈通信号的幅度。当不存在载波馈通时，IQ 偏置为零 ( 无穷大 dB)。
幅度误差：幅度误差是指测量信号和 I/Q 参考信号的幅度差。
相位误差：相位误差是指在符码时间内的I/Q 参考信号和 I/Q 测量信号的相位差。
SNR (MER) — 信噪比 ( 调制误差率 )：SNR (MER) 是指信噪比 ( 调制误差率
)，其中信号是发
射波形的符码平均功率。噪声功率包括任何导致符码偏离理想状态的因素。
经过适当的归一化后，SNR 和 OSNR 仅在高斯噪声限值系统中是相等的(OSNR 通常是在 100 pm RBW 处测得
误差矢量和误差矢量幅度可作为整体度量：
&&& EVM %rms
是对已测数据猝发中的所有误差矢量的归一化度量。EVM 是一个重要指标，概括了复杂调制信号
的大多数减损。因此，良好的 EVM %rms 确保了信号在存在噪声的情况下保持低减损。较差的 EVM %rms
无法指出明显的减损参数。在这种情况下，OMA 及其它参数可以对 EVM %rms 偏低的根本原因进行调试。
&&& 注意 : EVM
%rms 不属于可追溯且标准化的参数，因而仅可作为相对量度。
6.光波元器件分析
数字光传输系统的性能最终取决于比特误码率测试(BERT)。该参数描述的是整个系统的性能，在设计和验
证子器件 ( 例如调制器和 PIN 检波器 )
时，由于这些子器件本质上是模拟器件，因此非常有必要通过另外的参数反映其各自的性能。
图9& 光传输系统和元器件测试
这些器件对调制频率系统的总体性能有极大影响，表现在以下参数中 :
&&& ● 3 dB
带宽的电光传输
&&& ●
相对频率响应，定量描述信号在光电连接中的传输
&&& ●
绝对频率响应，描述信号从输入到输出的转换效率
&&& ●
射频端口的电反射
&&& ●
光电器件的群时延，验证频率相关时延导致的失真
在许多情况下，还需要检验接收机或发射机的实验室原型设计是否适合批量生产。这样就需要在不同环境
和工作条件下对被测器件进行表征。使用 .NET 远程控制软件，可以自动验证器件的最佳工作条件。在随后的生
产过程中，还可以使用 LCA 的自动控制功能通过局域网对每个器件进行表征。
光电接收机器件的测量结果为输出调制电流与输入光调制功率的比率。O/E 器件的响应度描述光功率的变
化对电流产生的影响。如下图所示。LCA 测量输入光调制功率和输出调制电流，并以安培 / 瓦特的形式显示。
图10& O/E表征
&&& 电光器件的测量过程类似于
OE 器件。EO 发射机的测量包括对调制输入电流和光调制输出功率的测量。斜
率响应度描述输入电流的变化对光功率的影响。如下图所示。LCA 测量调制输入电流和调制输出功率，并以瓦特
/安培、线性度或分贝为单位显示二者的比率。
图11& E/O表征
&7.光接收机压力测试
比特误码率属于网络部件的基本测试, 用于表示数字数据传输系统和网络的可靠运行。基本原理很简单: 在传输链路上,
将已知的传输比特与接收比特进行比较(包括被测器件)。统计比特误码,
它与总比特数之比即为比特误码率(BER)。已定义的压力参数可使测试数据信号降级 — 例如传输线损耗、水平和垂直失真 —
以仿真最坏情况下的操作场景, 其中, 被测器件能够成功地演示无误差数据传输。考虑到光传输线上的多个损伤,
这项测试对于接收网络部件来说具有基本重要性。因而, 许多光传输标准均以 BER
测量为基础定义此类强化接收机灵敏度。基本测试方法和设置通常很相似。然而, 测试条件、压力参数或压力生成方法会因不同标准而有所不同,
这取决于应用领域、传输介质、数据速率或数据协议。
图12& 接收机压力测试设置的基本原理
图12是基本设置结构图, 包含以下基本构建模块:
& & & 频率合成器:
生成正弦抖动时钟、随机抖动(PJ)
时钟源中的时钟输出将会通过正弦抖动进行调制
电码型发生器能以所需的速率生成测试码型
电应力调节设置会在测试码型中添加各种信号失真
调节设置可根据标准修改电应力信号
电光转换器可将电应力测试信号转换为对应的光应力信号(10 GbE、10 GFC)
&&& & 可调谐 E/O
源、光多路复用器和已调制测试元可以仿真更高速度标准下的其它通道 (40 GbE、100 GbE)
光衰减器可以仿真传输线损耗, 并将光调制幅度设为指定值
把光应力信号发送到被测光接收机
把接收机的数据输出信号发送到误码检测器, 可以对比输入和输出数据测试码型、检测误码以及计算比特误码率。
什么是光压力测试?
所示为只能应用于光接收机的光压力信号。当把这种信号用作光输入时, 接收机输出端的比特误码率必须低于特定水平 (通常为 1e-12)
以符合标准要求。
图13&& 光学参数定义
OMA:光调制幅度, 测量单位为 [μW]("平均信号幅值")
&&& ER:消光比,
最大值至最小值, 测量单位为 [dB] 或 [%]
&&& UI:单元间隔
(一个比特周期)
&&& LR、SR、ER:多种
10 Gb 以太网标准: 长距离 (10 km)、短距离 (300 m)、延伸距离 (40 km)
&&& A0:垂直开眼
("眼图中心最里面的开眼")[dBm 或 μW]
VECP:垂直眼图闭合代价
压力调节设置:&&&
压力调节会随着标准和元件速度等级的变化而变化。但是, 压力调节的基本原理保持不变:
&&& & 首先,
结构图增添不同类型的抖动 — 例如随机抖动、周期抖动或正弦抖动 — 从而生成测试码型眼图形状的水平闭合。
&&& & 其次,
结构图展示不同的幅度失真 — 例如正弦幅度干扰和低通滤波 — 从而生成眼图形状的垂直闭合。
10 GbE 和 10 GFC 的压力调节
&&& & 四阶 Bessel
Thomson 滤波器: 创建 ISI 引起的垂直眼图闭合(VECP)
&&& & 正弦幅度干扰:
与限幅器结合使用, 产生正弦抖动 (SJ)用于 16 GFC 的压力调节
&&& & 同轴电缆:
与限幅器结合使用, 产生确定性抖动 (DJ)
&&& & 限幅器:
恢复信号边沿 (快速上升和下降时间)
&&& & 四阶 Bessel
Thomson 滤波器: 创建 ISI 引起的垂直眼图闭合(VECP)
用于 16 GFC 的压力调节
&&& & 同轴电缆:
与限幅器结合使用, 产生确定性抖动 (DJ)
&&& & 限幅器:
恢复信号边沿 (快速上升和下降时间)
&&& & 四阶 Bessel
Thomson 滤波器: 创建 ISI 引起的垂直眼图闭合(VECP)
用于 40 GBASE-LR4 和 100 GBASE-LR4/ER4的压力调节
&&& & 正弦幅度干扰 1:
与限幅器结合使用, 产生正弦抖动 (SJ)
&&& & 高斯噪声发生器:
与限幅器结合使用, 产生随机抖动 (RJ)
&&& & 限幅器:
恢复信号边沿(快速上升和下降时间)
&&& & 正弦幅度干扰 2:
产生额外的垂直眼图闭合 (VECP) 和正弦抖动(SJ)
&&& & 低通滤波器: 创建
ISI 引起的垂直眼图闭合 (VECP)
各种标准的压力调节
参考发射机调节设置：&&&
该设置由速度等级和通道数量来决定。单路设置只包含一个 E/O 转换器和一个光衰减器。多路应用的设置较为复杂。
图15& E/O调节设置
&&&&用于被测压力通道的可调整
转换器：&&&&使用强化测试信号进行调制。OMA
设置为"强化的接收机灵敏度技术指标"。
波长 (l) 经过调节后可与 RXuT 在最坏情况下的灵敏度相对应。
固定波长 (l) 处于 RxuT 的指定范围内
用于其它通道的已调制测试源:&&&
使用有效的标准码型同时进行调制。
&&& 3) OMA
设置为最高"接收功率差值技术指标"。波长(l)经过调节后可与被测通道在最坏情况下的串扰相对应。
OMA 设置为最高"接收功率差值技术指标", 加上被测通道的损耗偏差和隔离偏差增量。固定波长(λ)
处于 RXuT 的指定范围内。
&&&&信号表征测量：测试信号的校准和验证。
图16& 信号表征测量
参考接收机:&& 使用四阶
Bessel Thomson 响应和基准频率 ft 的光电转换器:
&&& &t = 7.5
GHz, 用于 8 GFC
&&& &t = 11.0
GHz, 用于 16 GFC
&&& &t = 7.5
GHz, 用于 40 Gbase-LR4
示波器:使用清晰、非抖动时钟来验证压力测试信号。光接收机器件 — 尤其是数据速率高达若干 Gbps
的 — 在设计和鉴定阶段中, 通常会接受大量的接收机压力灵敏度测试,
从而根据要求执行性能验证和确定设计裕量。在标准一致性压力测试条件和各种光调制幅度 (OMA) 条件下测量 BER, BER 低至
10-12 或以下。在制造阶段, BER 测试会在不同的 OMA 点上执行。BER 低至 10-9,
可以缩短测试时间和降低测试成本。应用这套经济高效型测试方案意味着设备制造商非常了解设备裕量。对于压力测试信号的生成,
要求使用具备高精度和可重复性的测试解决方案。压力信号的生成要求设备维持很高的信号保真度。这一要求可能会使多模光纤设备面临一些有趣的测试挑战。本目录覆盖了执行上述测试所需的测试设备
8.光纤通道网络中使用的光收发器测试
此类网络具备三种拓扑: 点到点、仲裁环路和交换结构。使用光收发器可以优化设备之间的连接。例如在交换拓扑结构中, SFP+ (8 GFC
和 16 GFC)、XFP (10 Gb/s) 和 SFP (≤
4Gb/s)收发信机均用于连接交换结构和各种设备(例如存储和计算设备)。用于测试光收发器的典型码型包括 PRBS 系列、JSPAT 和
K28 系列, 位于 N4960A 32 G 误码仪的预装载码型程序库。
&&& 对于 16 GFC 应用
(14.025 Gb/s), N4960A 能够执行 BER 测量, 提供压力码型发生器信号以进行接收机测试。16 GFC
设备通过精确表征使得技术指标都在严格的容限范围内。N4960A 结合了 N4980A 多仪器 BERT 软件, 也可提供抖动容限测试,
以便完成精确表征。
&&& 图17显示了使用 17
Gb/s 误码仪系统的基本配置。N4951A-P17 和 N4952A-E17 可以载入符合 16G FC
标准的通用压力测试码型。还可以定制长达 8 Mb 的码型, 把它们上传到 N4951A-P17 和
N4952A-E17。图&17 是典型的硬件设置, 显示了执行 BER 测试所需的设置。
图17&& 在 16x
光纤通道 (16 GFC)上执行光收发器测试
9.无源光网络 (PON)
测试解决方案
无源光网络 (PON) — 由全业务接入网络 (FSAN)规定厂商联盟指定 — 是一项适合 FTTx 网络的接入技术,
它使用小巧低廉的无源分路器, 而不是光中继器。在下游方向, 光线路终端的信号 (OLT) 经过分割后发送至光
网络单元 (ONU)。在上游方向, 利用 TDMA 技术把信号从 ONU 发送到 OLT,
功率因距离的长短不一而有所不同,
这就加大了接收机性能测试的难度。
&&& 在光通信领域中,
我们以基于无源光网络 (PON) 的时分多址 (TDMA) 为例, 适用于 GPON 和 BPON。在交换机中的光线路终端 (OLT)
的接收端 RX 成为系统中更核心的子模块, 负责处理来自光网络单元 (ONU) 的上游突
发信号, 参见图 18。
图18&&无源光网络中的上行TDMA 突发信号
两者的间隔非常短且幅度大为不同, 因此, 必须为OLT的 RX 设置恰当的阈值, 并在很短时间内同步它的内部PLL。测试设置包含
ParBERT 81250、安捷伦光波测量系统(LMS)B 和数字通信测试仪 (DCA)81600D,
用于仿真PON 的重要组成部分, 如图&20 所示。ParBERT
对这两个数据突发信号和相关的激光控制信号提供精确的计时功能, 这对于标准一致性测试和 OLT RX
表征而言非常重要。码型序列发生器设置和生成具有所需要内容的突发封装信号。
图19&& PON
在上游测试中要求使用精确计时的突发数据
&&& 可以选择软件控制
ParBERT 及其它仪器的编程语言。它可与 ParBERT 软件在相同 PC 上运行。借助 visual Basic 或 C 语言,
能够充分利用 ParBERT 提供的即插即用程序库(以及许多其它仪器), 这将会简化编程。
图20&& 基于 ParBERT 的测试设置用于表征
10.通信波形测量
对于任何高速通信信号, 必须测试通道和基本信号特征,以保证它们符合标准,
并能够与系统计划中的其它设备进行互操作。以宽带采样示波器为基础设计的数字通信分析仪(DCA)在研发、器件验证和批量收发信机生产领域久享盛誉,被公认为是对光波形进行精确分析的行业标准。除了基本的眼图和脉冲波形表征之外,
DCA 还能进行先进的抖动分析和通道阻抗表征。
发射机一致性测试和眼图分析：查看眼图是表征高速数字发射机信号质量的最常用办法。行业标准(例如
SONET、SDH、光纤通道和以太网)都依赖眼图分析来确定发射机技术指标。通过查看眼图,
可以确定模板裕量、幅度、消光比和总体质量。测试通常使用定义完善的参考接收机,
在生产测试、输入检验和系统级应用中获取一致性测试结果。DCA 中内置了标准参考接收机和测试程序, 用于进行一致性测试。
&&& 在这些标准测试中,
通过自动直方图分析决定信号电平,再由信号电平推导出关键的波形参数, 包括但不限于:
消光比: 激光器功率如何有效地转换成信息功率
&&& & 光调制幅度
(OMA): 测量调制功率
&&& & 眼图高度和宽度:
指示眼图打开程度
&&& & "1"和"0"电平:
眼图的逻辑电平
&&& & 信噪比:
信号强度与噪声的比值
占空比失真和交叉点百分比: 测量眼图的对称度
&&& & 基本的峰峰值和
RMS 抖动: 测量信号的时间稳定度
&&& 在进行眼图测试时,
使用行业定义的模板与发射机眼图进行比较, 可以很快确定合格/不合格 (Pass/Fail) 结果, 并且自动确定模板裕量。此外,
测试中还会自动执行针对行业定义命中率(一个较新的概念,
定义为允许的命中数与波形样本总数之比)的眼图模板测试。眼图模板测试几乎总是使用参考接收机来执行。参考接收机定义整个测量系统具有特定的低通频率响应,
最常见的是四阶贝塞尔 (Bessel) 低通响应(在 75% 的数据速率上具有 -3 dB 的频率)。例如, 10 Gb/s
参考接收机将具有 7.5 GHz 的带宽。参考接收机使波形看起来更接近实际通信系统中的接收机看到的结果。
图21&& 眼图、模板、波形参数、抖动测量
波形测量：不是所有的光信号波形测量都需要使用参考接收机。滤波功能可以关闭,
以便提供更宽带宽的测量系统。可以准确观察波形未经滤波的特性。发射机输出可以被视为未经滤波的眼图, 或是脉冲串(取决于 DCA
的触发方式)。可将DCA 置于“码型锁定”模式, 通过查看数字通信信号的各个比特位, 对波形质量进行简单的分析,
包括上升时间、下降时间、脉冲宽度和过冲等参数。在“码型锁定”模式中, DCA可以记录一个完整的单值波形记录,
以便进行离线分析。
通常使用外部时间参考将示波器与测试信号同步。如果没有触发信号, 或需要进行标准一致性测量,
则可以使用时钟恢复模块或时钟恢复仪器直接从被测波形中提取定时参考信号。时钟恢复模块不仅提供了方便的示波器同步方法,
还能够控制抖动的显示数量。时钟恢复模块可以在通过示波器所观察的抖动中高效地生成高通效应。时钟恢复系统环路带宽对滤波范围进行定义。
抖动分析：每个高速通信设计都面临着抖动问题。当数据在适当的时间从其预期位置抖动时,
接收机电路在尝试解释逻辑电平的过程中可能会出现错误, 从而导致 BER 劣化。当数据速率增加时, 抖动问题有扩大的趋势。例如, 10
Gb/s 信号的比特周期仅为 100 皮秒 (ps)。信号减损(例如衰减、色散和噪声等)可能导致几 ps 的计时不稳定,
这可能意味着信号能否达到BER 目标。对抖动进行精确测量难度极大, 更使这个问题雪上加霜。虽然测量方法有很多种,
但是在如何设置测量、获得可重复的结果以及解决不同技术的不一致性等方面的难题一直困扰着业界。
“等时”采样示波器配置拥有超过 80 GHz 的带宽和极低的固有抖动, 是目前市场上最精确的高速抖动测量工具。在许多通信系统和标准中,
针对抖动的规定涉及确定在传输信号上可以有多大的抖动。使用具有极低 BER (通常达到万亿分之一)的系统进行抖动分析时,
必须在相应的精度水平上准确表征抖动。将抖动按照产生原因进行分类, 有助于进一步找出抖动的根源。特别是,
抖动可以明确分为随机抖动和确定性抖动两部分。确定性抖动可以进一步分成多个子类。通过确定和量化抖动的组成分量, 可以更清楚地了解抖动对
BER 的影响, 随后直接改变系统预算的分配, 以及后续的元器件技术指标。通过将抖动分成多个组成分量,
可以对信号的总体抖动(甚至达到极低概率)进行精确测量。
时域反射计和传输：大多数光器件都具有高速电输入和输出。在设计良好的信号路径中,
可以实现较高的信号完整性。DCA 经过配置后, 可作为时域反射计(TDR)来轻松确定电通道的发射和反射特性。该信息可像 S 参数一样,
作为时间或频率的函数显示。大多数新的电路设计都采用了差分设计,
以便改善串扰和干扰性能。电路需要在单端信号、差分信号和常见的信号配置中进行表征。
模块沿着传输线路发送快速边沿, 然后分析反射信号并显示电压或阻抗与距离的对比关系。该信息还可以转换为频域结果, 显示回波损耗、VSWR
或反射系数与频率的对比关系。DCA 还可对轨迹中任意选定部分进行测量, 确定过量的电感或电容,
帮助设计者减少在该区域内所需的补偿量。
[1]安捷伦科技.光波产品目录[G/DK].北京：安捷伦科技（中国）有限公司.2013.
以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。